Les batteries à base de sodium ne sont pas nouvelles sur le marché du stockage d’énergie, mais l’intérêt pour cette technologie a fortement augmenté au début des années 2020, alors que le secteur cherchait des alternatives au lithium. Les prix du lithium ont fortement grimpé durant cette période et, la majeure partie du raffinage mondial du lithium étant concentrée en Chine, les gouvernements et les fabricants du monde entier ont été incités à diversifier les chimies de batteries. Le sodium est le sixième élément le plus abondant sur Terre, et les batteries sodium-ion fonctionnent et peuvent être fabriquées de manière similaire aux conceptions conventionnelles au lithium, ce qui rend leur adoption plus simple que celle d’autres technologies avancées comme les batteries à flux. Toutefois, tout comme il existe plusieurs chimies au lithium, différents types de batteries sodium conviennent à différents usages.

Qu’est-ce qu’une batterie au sodium ?

Les batteries à base de sodium utilisent du sodium abondant pour produire une énergie non toxique. Elles ne sont ni inflammables ni explosives — à condition qu’aucun autre matériau réactif ne soit introduit dans la chimie — et peuvent fonctionner sur une large plage de températures. Les cellules de batterie sodium peuvent également être entièrement déchargées jusqu’à zéro charge sans subir de dommages.

Lors de la charge, les ions sodium se déplacent de la cathode vers l’anode ; lors de la décharge, ils reviennent de l’anode vers la cathode. Le processus de fabrication ressemble étroitement à celui des batteries au lithium : la cathode et l’anode sont enduites d’une barbotine, la pochette de la cellule est remplie d’électrolytes, puis le module est scellé. Les fabricants de cellules sodium adoptent des formats similaires à ceux des cellules lithium afin de faciliter l’adoption.

Une différence clé réside dans la conception du collecteur de courant. Les batteries sodium utilisent généralement uniquement de l’aluminium, tandis que les batteries au lithium utilisent à la fois de l’aluminium et du cuivre. Le fait de n’utiliser que de l’aluminium donne théoriquement un avantage de coût aux batteries sodium. Par ailleurs, parce qu’elles fonctionnent sur une large plage de températures et présentent un risque d’incendie minimal, les batteries sodium n’ont pas besoin des systèmes de chauffage, de refroidissement et d’extinction d’incendie que l’on trouve dans les BESS au lithium. Cela permet aux systèmes de stockage d’énergie sodium à grande échelle d’avoir une empreinte physique nettement plus réduite que leurs équivalents au lithium. Pour le stockage stationnaire à l’échelle du réseau, où le poids et le volume sont moins contraignants que dans les véhicules électriques, la densité énergétique plus faible du sodium par rapport au lithium constitue un inconvénient moins marqué.

Quels sont les différents types de batteries sodium ?

Il existe plusieurs variantes de batteries sodium, mais les trois plus courantes sont NFM, NCO et NFPP.

Le sodium nickel fer manganèse (NFM) est le plus souvent comparé à l’oxyde de cobalt de lithium (LCO) et se retrouve dans des applications de mobilité légère, comme les trottinettes et les vélos électriques. Comme les batteries LCO utilisées dans des appareils électroniques portables tels que les téléphones, les batteries NFM peuvent présenter des dangers pour la sécurité et prendre feu. Elles ne sont pas adaptées aux applications à grande échelle.

Le sodium oxyde de chrome (NCO) est souvent comparé au nickel manganèse cobalt au lithium (NMC). Le NCO offre une densité énergétique élevée, mais une durée de vie en cycles relativement courte. Ces batteries à oxyde métallique stratifié peuvent entrer en emballement thermique et produire de l’oxygène en brûlant, bien que la probabilité soit nettement plus faible que ce qui a été observé avec les batteries au lithium.

Le sodium fer-phosphate pyrophosphate (NFPP) est généralement comparé au phosphate de fer lithium (LFP). Les batteries NFPP offrent une meilleure durée de vie en cycles et de meilleures tolérances thermiques, avec un risque d’incendie quasi nul. Le fabricant américain Alsym ajoute un électrolyte non inflammable à sa conception NFPP+ afin de réduire encore davantage le risque d’incendie. Par rapport au LFP, les conceptions NFPP ont une densité énergétique plus faible mais nécessitent moins d’infrastructures CVC et moins d’éléments additionnels de BESS.

Où les batteries sodium sont-elles fabriquées et installées ?

Comme pour presque tous les produits de batteries, la Chine domine actuellement la production. La fabrication de batteries sodium peut facilement être intégrée à une ligne de production LFP, et de nombreuses marques chinoises de batteries au lithium établies ont déjà réaffecté des lignes inactives ou excédentaires de leurs usines pour produire des conceptions sodium.

Aux États-Unis, plusieurs efforts de recherche et développement sur le sodium-ion sont en cours. L’abondance de la chimie du sodium et l’absence de matériaux critiques signifient que les États-Unis pourraient rapidement relocaliser la fabrication de systèmes de stockage d’énergie sodium-ion. Les incitations fédérales prévues par l’Inflation Reduction Act de 2022, qui incluent des crédits d’impôt pour les cellules de batterie produites localement et pour l’approvisionnement en minéraux critiques, ont également encouragé les investissements dans des chimies non lithium qui réduisent la dépendance aux matériaux importés.

La société Alsym, basée à Boston, développe des conceptions de cellules NFPP, et le développeur de stockage d’énergie à grande échelle ESS a récemment annoncé qu’il utiliserait la technologie Alsym dans son prochain lancement de batterie sodium-ion.

« Notre premier lancement se fera avec NFPP, car c’est une bonne technologie. Elle présente les mêmes caractéristiques qu’ESS suit depuis sa création — aucun risque d’incendie et c’est sûr », a déclaré Randy Selesky, directeur commercial d’ESS.

La société Unigrid, issue de l’Université de Californie à San Diego, développe des cellules NCO et a annoncé un partenariat avec le fabricant Syntropic Power pour produire des batteries sodium-ion aux États-Unis. Les deux entreprises ciblent le marché résidentiel parce qu’il est prêt pour des alternatives au lithium, a déclaré Darren Tan, cofondateur et PDG d’Unigrid.

« Nous avons déjà le stockage d’eau à la maison, nous avons le stockage alimentaire. Je pense qu’il est tout à fait concevable que, dans les deux prochaines décennies, tout le monde ait un stockage d’énergie à la maison, à condition que ce stockage soit aussi abordable, aussi sûr et aussi fiable qu’un réfrigérateur », a-t-il déclaré. « C’est une opportunité pour le sodium-ion. »

Peak Energy prévoit d’ouvrir une usine à Sacramento en 2027, avec une capacité de production annuelle de 4 GWh, pour fabriquer des systèmes NFPP de 3,1 MWh. L’entreprise utilise actuellement des cellules importées, mais ses dirigeants sécurisent déjà d’autres composants, a déclaré Brandon Kelly, scientifique en chef de Peak.

« On peut fabriquer du carbone dur, qui est l’anode, à partir de presque n’importe quoi. En ce moment, nous utilisons des noix de coco. Nous allons essayer des noyaux de pêche et d’autres choses un peu aléatoires. Cela donne des conversations amusantes sur la chaîne d’approvisionnement », a-t-il déclaré. « Mais on peut en fabriquer à partir de charbon, de sous-produits pétroliers, des domaines dans lesquels nous sommes performants ici aux États-Unis. Même si ce n’est pas encore industrialisé aujourd’hui, ce sera assez facile à faire [aux États-Unis] par rapport au lithium. »

Des entreprises américaines comme celles-ci ne construiraient pas d’infrastructures de fabrication sans demande pour cette nouvelle technologie de batterie. Bien que la capacité installée actuelle reste faible, chaque représentant d’entreprise a indiqué à Solar Power World que le secteur n’en est qu’au début d’une croissance importante. Le marché plus large du stockage d’énergie à l’échelle du réseau se développe à mesure que le déploiement des énergies renouvelables augmente et que les services publics recherchent des solutions de plus longue durée pour équilibrer une production intermittente.

« L’année dernière, plus de 3 GWh de sodium ont été produits », a déclaré Kelly. « Beaucoup pensent qu’il s’agit surtout d’une technologie de laboratoire, mais la réalité est qu’il s’agit de cellules de qualité commerciale qui ont déjà démontré leurs performances dans ces grands formats disponibles à l’échelle du gigawattheure. C’est prêt pour une exploitation à grande échelle. »