Pendant une grande partie de la dernière décennie, les pérovskites ont été présentées comme l'avenir des panneaux solaires, mais leur commercialisation a été lente et seuls quelques fabricants acceptent de tester des lignes pilotes. Dans le stockage d'énergie, une technologie différente évolue en sens inverse : dès que les conceptions sodium-ion ont été proposées comme alternatives aux batteries lithium-ion, les fabricants ont commencé à mettre en place la production et à sécuriser des commandes.

« C'était passionnant », a déclaré Randy Selesky, directeur commercial d'ESS Inc. « Je suis sur ce marché depuis longtemps, et je n'ai jamais vu le marché s'emparer d'une technologie aussi rapidement. »

Pour un marché autrefois incarné par les batteries au plomb pour l'autonomie hors réseau, l'industrie mondiale du stockage d'énergie d'aujourd'hui est dominée par le lithium, à l'exclusion du stockage par pompage hydraulique, et elle se développe rapidement alors que les services publics installent des batteries pour déplacer la production solaire et éolienne de journée vers les heures de pointe du soir. Dans la part du lithium, le lithium-fer-phosphate (LFP) est devenu la chimie la plus installée dans les applications à l'échelle du réseau et résidentielles, représentant 80 % du nouveau stockage par batteries dans le monde en 2023 — une chimie d'abord développée à l'Université du Texas à Austin dans les années 1990 avant que sa production ne soit industrialisée en Chine. Si les batteries au lithium ont contribué à l'expansion de l'industrie, certaines de leurs caractéristiques restent limitantes.

Bien que les batteries LFP soient beaucoup plus sûres et moins sujettes à l'emballement thermique que les chimies lithium antérieures, certaines applications ne peuvent toujours pas tolérer leur risque d'incendie. Les batteries au lithium fonctionnent également de manière optimale dans une plage de température étroite, et l'énergie auxiliaire nécessaire pour alimenter les systèmes de refroidissement et les ventilateurs peut rendre certains projets non rentables dans certaines régions. De plus, la Chine domine la chaîne d'approvisionnement en lithium, rendant difficile l'établissement d'une chaîne d'approvisionnement en stockage d'énergie entièrement nationale.

Le sodium-ion n'est pas une invention nouvelle. Cette chimie a été explorée dans les laboratoires de recherche dès les années 1980, avant que le succès commercial du lithium-ion ne la relègue au second plan, et elle est restée largement dormante jusqu'à ce que CATL, le plus grand fabricant de batteries au monde, dévoile sa cellule sodium-ion de première génération en 2021. Les batteries sodium-ion ont depuis atteint la production en série dans de petites voitures électriques urbaines vendues en Chine, notamment des modèles du constructeur automobile JAC.

Le sodium-ion offre une alternative. Fabriquées à partir de sodium — un élément non toxique parmi les plus abondants de la croûte terrestre et ingrédient de base du sel de table commun — les batteries au sodium peuvent être fabriquées de manière similaire aux batteries au lithium, en utilisant des cellules, des modules et des systèmes finaux de mêmes dimensions. Elles fonctionnent également dans une large plage de températures, de -40°F à 140°F sans dégradation de la puissance, ce qui supprime le besoin de systèmes CVC. Et parce qu'elles ne dépendent pas de minéraux critiques, la fabrication de batteries au sodium pourrait théoriquement s'implanter aux États-Unis, en Europe, en Australie ou ailleurs.

Plus tôt cette année, Morgan Stanley Research a estimé que les batteries sodium-ion détiendraient 2 % de part de marché en déploiement en 2027, puis passeraient à 20 % d'ici 2030 et 37 % d'ici 2035. Deux chimies — l'oxyde de sodium-chrome (NCO) et le pyrophosphate de sodium-fer-phosphate (NFPP) — semblent mener le marché vers la prochaine décennie. Le NCO offre une densité d'énergie plus élevée, tandis que le NFPP est moins coûteux à fabriquer, mais les deux peuvent servir d'alternative au lithium, a déclaré Darren Tan, cofondateur et PDG du développeur de cellules au sodium Unigrid. Les cellules sodium-ion stockent généralement moins d'énergie au poids que les chimies lithium, une limitation qui importe le plus pour les véhicules électriques et le moins pour le stockage stationnaire, où le volume et le poids présentent moins de contraintes — une raison pour laquelle les systèmes à l'échelle du réseau sont la première cible majeure de cette technologie.

« Les nouvelles technologies servent toujours à ouvrir de nouveaux marchés ou de nouvelles applications », a déclaré Tan. « Lorsque nous rencontrons des clients qui utilisent déjà le LFP pour leurs applications, nous leur disons qu'ils font un excellent travail et qu'ils devraient continuer, à moins qu'ils ne rencontrent certains défis comme un manque de puissance ou de sécurité, une durée de vie insuffisante, ou la nécessité de fonctionner dans le froid ou la chaleur extrême. C'est là que nous intervenons pour résoudre ces problèmes. »

Le marché du sodium-ion prend forme

La promesse de la technologie sodium-ion a attiré des entreprises de tous les horizons du marché du stockage d'énergie. ESS, pionnier des batteries à flux, s'y est intéressé et lancera l'année prochaine sa première conception sodium à l'échelle du réseau. Selesky a déclaré que le passage au sodium n'est pas un abandon des batteries à flux de longue durée, mais un ajout aux alternatives au lithium de l'entreprise.

« Le lithium représente toujours 95 % du marché, dans la plage de deux à huit heures. C'est le premier produit que nous voyons capable d'affronter directement les cas d'utilisation traditionnels du lithium-ion », a-t-il déclaré. « Nous avons vu cela comme une opportunité de viser 95 % du marché, en tirant parti de nos 14 ans d'[expérience] en installation, intégration et support de maintenance continu. »

Selesky a déclaré qu'ESS réorientera sa R&D vers une batterie à flux à décharge de 16 à 48 heures, car il reste de nombreuses opportunités où le stockage d'énergie de longue durée est nécessaire.

« Nous voyons cela comme une opportunité parfaite de réinitialiser le fer-flux », a-t-il déclaré. « Lorsqu'on est dans la longue durée, on crée un marché et ce marché est encore en cours de création. [Travailler avec le sodium] nous donne l'occasion de monter dans le volant d'inertie et de vraiment commencer à produire des produits. »

ESS utilisera des cellules NFPP de la startup Alsym dans son système de stockage d'énergie AC de 1,2 MWh. Alsym, un développeur de cellules sodium-ion basé à Boston, fabrique une petite quantité de produits sur la côte Est, et ESS assemblera les cellules dans le système de stockage d'énergie « Bridge » sur son site de fabrication en Oregon.

« [Le NFPP] suit les mêmes caractéristiques qu'ESS a suivies depuis sa naissance — aucun risque d'incendie et c'est sûr », a déclaré Selesky. « Notre premier lancement est prévu en 2027, puis nous ferons un deuxième lancement, qui augmente la densité, fin 2028. Voilà à quel point cette technologie évolue rapidement. Je peux déjà voir ce qui est en R&D et qui sortira dans trois ans. »

Le rythme de développement est si rapide que Peak Energy, une entreprise fondée en 2023, met déjà en place une fabrication multi-gigawattheure. L'entreprise est en bonne voie pour commencer à livrer son système de stockage GS1 fabriqué à Sacramento d'ici mi-2027.

Brandon Kelly, scientifique en chef de Peak Energy, a déclaré que la montée rapide de l'entreprise faisait partie du plan initial.

« L'approche de Peak est d'arriver rapidement au produit, pas de développer en laboratoire pendant 10 ans puis de lancer un produit et d'essayer de trouver un marché », a-t-il déclaré. « Il y a une forte demande du marché, et il existe une technologie dont la chimie de base permet un bien meilleur produit pour répondre à cette demande — du produit lui-même à la chaîne d'approvisionnement et à la sécurité énergétique ici aux États-Unis. »

Le GS1 est un système NFPP de 3,1 MWh, que Kelly a décrit comme « parfaitement adapté au stockage à l'échelle du réseau ». Le principal argument de vente de Peak Energy est le refroidissement passif des batteries au sodium, qui élimine les systèmes de refroidissement et les ventilateurs de la conception.

« [Avec les systèmes de refroidissement,] il y a des pièces mobiles, du réfrigérant, du liquide de refroidissement, des filtres, des ventilateurs, énormément de bruit. C'est formidable que nous puissions le faire, et je suis heureux que cela permette beaucoup de choses. Mais ce sont des solutions d'ingénierie que nous devons mettre en place pour que le lithium réponde à l'application », a-t-il déclaré. « Parce que cette version du sodium-ion tolère mieux les températures, nous pouvons simplement la laisser monter en température et atteindre quand même la durée de vie visée. Même dans notre système passif, nous sommes toujours à 85 % d'état de santé après 20 ans. Le lithium-ion, même avec refroidissement liquide, est autour de 65 %. Et avec le sodium, il n'y a aucune pièce mobile, la quantité de maintenance diminue considérablement. C'est une belle simplicité, permise jusqu'au niveau de la chimie. »

Du terrain à jouer dans le résidentiel

Bien que l'attention du marché du stockage d'énergie se porte surtout sur les systèmes à l'échelle du réseau, le marché résidentiel peut également bénéficier des conceptions au sodium.

Unigrid, une entreprise de R&D de cellules sodium-ion issue de l'Université de Californie à San Diego, développe cette technologie depuis le début de la décennie. L'entreprise vient d'annoncer un partenariat avec le fabricant Syntropic Power pour produire des batteries NCO aux États-Unis.

« Cela coche toutes les cases. Elle offre une excellente durée de vie en cycles, une excellente sécurité, une excellente puissance, un excellent coût », a déclaré Tan à propos de la chimie NCO. « Le seul inconvénient est qu'elle n'est pas disponible en Chine, donc on ne peut pas simplement l'acheter sur le marché. Nous travaillons avec des fonderies pour développer ce nouveau processus de production. Le fait qu'elle ne soit pas disponible signifie également que nous serons les seuls à la fournir, c'est donc l'un de nos avantages clés. »

La fabrication sodium-ion est si similaire à la production de batteries au lithium que la plupart des grands acteurs du lithium — BYD, CATL et Hithium — adaptent rapidement leurs lignes de production lithium existantes pour les conceptions au sodium. Mais cela signifie aussi qu'ils se concentrent davantage sur le passage à l'échelle des batteries sodium pour le réseau, qui tendent à privilégier les chimies NFPP. Avec son focus sur la chimie NCO, Unigrid vise le marché du stockage résidentiel, moins encombré, selon Tan.

« En Chine, il n'existe pas de marché résidentiel, donc les grands acteurs chinois ne dominent pas cet espace. C'est aussi la raison pour laquelle les batteries résidentielles sont historiquement inabordables », a-t-il déclaré. « Vous avez des batteries à l'échelle des services publics qui se battent pour des centimes au dollar, et puis vous avez des batteries résidentielles qui coûtent encore 10 000 $ et plus. Nous avons réalisé que c'était une opportunité pour nous d'intervenir et de changer le statu quo. Le sodium-ion est une réinitialisation. »

Unigrid a développé un prototype de batterie résidentielle, le Na+Casa de 9,25 kWh, qui peut fonctionner dans des températures extrêmes sans dispositifs de refroidissement externes et offre une durée de vie de plus de 10 000 cycles à 100 % de profondeur de décharge. La capacité de 9,25 kWh a été déterminée par les codes incendies actuels de la National Fire Protection Association, qui ne sont pas encore adaptés au développement du sodium-ion. Les batteries au sodium sont encore considérées comme relevant de la catégorie « toutes les autres » (plutôt que plomb, lithium ou flux) et sont limitées à 10 kWh.

La capacité de 9,25 kWh d'une unité unique peut être inférieure aux modèles lithium de 15 kWh disponibles sur le marché résidentiel actuel, mais Tan a déclaré que les batteries au sodium ont d'autres avantages et devraient toujours être envisagées.

« Contrairement au lithium-ion, où une grande partie du coût provient du lithium et de ses matériaux critiques, le sodium-ion est complètement inversé », a déclaré Tan. « Les matières premières du sodium-ion sont extrêmement peu coûteuses, et l'essentiel du coût se situe dans la fabrication. Cela signifie que le potentiel de baisse des coûts du sodium-ion est bien plus grand. Aujourd'hui, c'est encore plus cher que le lithium-ion, mais je m'attends à ce que cela baisse très fortement au cours des cinq à dix prochaines années. »

Les entreprises de batteries au sodium font peut-être déjà preuve de sérieux, mais elles pourraient bientôt s'emparer du marché du stockage d'énergie.