Alors que les prix des batteries lithium-ion baissent à nouveau, l’intérêt pour le stockage d’énergie sodium-ion (Na-ion) n’a pas faibli. Alors que la capacité de fabrication de cellules augmente à l’échelle mondiale, il reste difficile de savoir si cette technologie prometteuse pourra faire pencher la balance sur l’offre et la demande. Marija Maisch rapporte.
Les batteries sodium-ion traversent une période critique de commercialisation alors que les industries, de l’automobile au stockage d’énergie, misent gros sur cette technologie. Les fabricants de batteries établis et les nouveaux venus se bousculent pour passer du laboratoire à l’usine de fabrication avec une alternative viable au lithium-ion. Avec ce dernier standard en matière de mobilité électrique et de stockage stationnaire, les nouvelles technologies doivent offrir des avantages avérés. L’ion sodium semble bien placé, avec une sécurité, des coûts de matières premières et des références environnementales supérieurs.
Les dispositifs à ions sodium n'ont pas besoin de matériaux critiques, car ils reposent sur une quantité abondante de sodium au lieu du lithium, et ne nécessitent ni cobalt ni nickel. Alors que les prix du lithium-ion ont augmenté en 2022, dans un contexte de pénurie de matériaux annoncé, l’ion sodium est devenu un rival et l’intérêt reste fort, même si les prix du lithium-ion ont recommencé à baisser.
"Nous suivons actuellement 335.4 GWh de capacité de production de cellules à ions sodium jusqu'en 2030, ce qui souligne qu'il existe encore un engagement considérable envers la technologie", a déclaré Evan Hartley, analyste principal chez Benchmark Mineral Intelligence.
En mai 2023, le consultant londonien traquait 150 GWh d’ici 2030.
Meilleur marché
Les cellules sodium-ion, produites à grande échelle, pourraient être 20 à 30 % moins chères que le lithium ferro/fer-phosphate (LFP), la technologie dominante des batteries de stockage stationnaires, principalement grâce à l'abondance de sodium et aux faibles coûts d'extraction et de purification. Les batteries sodium-ion peuvent utiliser de l'aluminium pour le collecteur de courant anodique au lieu du cuivre – utilisé dans le lithium-ion – réduisant ainsi davantage les coûts et les risques de la chaîne d'approvisionnement. Ces économies restent toutefois potentielles.
"Avant que les batteries sodium-ion puissent concurrencer les batteries plomb-acide et lithium fer phosphate existantes, les acteurs de l'industrie devront réduire le coût de la technologie en améliorant les performances techniques, en établissant des chaînes d'approvisionnement et en réalisant des économies d'échelle", a déclaré Shazan Siddiqi, analyste technologique principal chez United. Société d’études de marché IDTechEx basée au Royaume-Uni. « L'avantage en termes de coût du Na-ion n'est réalisable que lorsque l'échelle de production atteint une échelle de fabrication comparable à celle des cellules de batterie lithium-ion. En outre, une nouvelle baisse du prix du carbonate de lithium pourrait réduire l’avantage tarifaire qu’offre le sodium.
Il est peu probable que l’ion sodium supplante l’ion lithium dans les applications privilégiant les hautes performances et sera plutôt utilisé pour le stockage stationnaire et les micro-véhicules électriques. Les analystes de S&P Global s'attendent à ce que le lithium-ion fournisse 80 % du marché des batteries d'ici 2030, avec 90 % de ces appareils basés sur le LFP. L’ion sodium pourrait représenter 10 % du marché.
Les bons choix
Les chercheurs étudient l'ion sodium depuis le milieu du 20e siècle et les développements récents incluent des améliorations de la capacité de stockage et du cycle de vie des dispositifs, ainsi que de nouveaux matériaux d'anode et de cathode. Les ions sodium sont plus volumineux que leurs homologues au lithium, de sorte que les cellules à ions sodium ont une tension plus faible ainsi qu'une densité d'énergie gravimétrique et volumétrique plus faible.
La densité d'énergie gravimétrique des ions sodium se situe actuellement autour de 130 Wh/kg à 160 Wh/kg, mais devrait dépasser 200 Wh/kg à l'avenir, au-dessus de la limite théorique des appareils LFP. En termes de densité de puissance, cependant, les batteries sodium-ion pourraient avoir 1 kW/kg, ce qui est supérieur aux 340 W/kg à 420 W/kg du nickel-manganèse-cobalt (NMC) et aux 175 W/kg à 425 W/kg du LFP.
Alors que la durée de vie d'un dispositif sodium-ion de 100 à 1,000 80 cycles est inférieure à celle du LFP, le développeur indien KPIT a signalé une durée de vie avec une rétention de capacité de 6,000 % pour XNUMX XNUMX cycles – en fonction de la chimie des cellules – comparable à celle des dispositifs lithium-ion.
« Il n'existe toujours pas de chimie unique gagnante dans les batteries sodium-ion », a déclaré Siddiqi d'IDTechEx. « De nombreux efforts de R&D sont entrepris pour trouver le matériau actif anode/cathode parfait qui permet une évolutivité au-delà du stade du laboratoire. »
Se référant à l'organisation scientifique de sécurité Underwriter Laboratories, basée aux États-Unis, Siddiqi a ajouté que « la normalisation UL pour les cellules sodium-ion est donc encore loin, ce qui fait que les OEM [fabricants d'équipement d'origine] hésitent à s'engager dans une telle technologie.
Le blanc de Prusse, le polyanion et l'oxyde en couches sont des candidats cathodiques présentant des matériaux moins chers que leurs homologues lithium-ion. Le premier, utilisé par Northvolt et CATL, est largement disponible et bon marché, mais a une densité énergétique volumétrique relativement faible. La société Faradion, basée au Royaume-Uni, utilise de l'oxyde en couches, qui promet une densité énergétique plus élevée, mais souffre d'une diminution de la capacité au fil du temps. Le français Tiamat utilise du polyanion, qui est plus stable mais contient du vanadium toxique.
"La majorité des producteurs de cellules planifiant la capacité des batteries sodium-ion utiliseront la technologie des cathodes à oxyde en couches", a déclaré Hartly de Benchmark. « En fait, 71 % du pipeline [cell] est constitué d’oxyde en couches. De même, 90.8 % du pipeline de cathodes d’ions sodium est constitué d’oxyde en couches.
Alors que les cathodes constituent le principal facteur de coût du lithium-ion, l’anode est le composant le plus cher des batteries sodium-ion. Le carbone dur est le choix standard pour les anodes sodium-ion, mais la capacité de production est inférieure à celle des cellules sodium-ion, ce qui fait grimper les prix. Les matériaux carbonés durs ont récemment été dérivés de divers précurseurs tels que les déchets animaux, les boues d'épuration, le glucose, la cellulose, le bois, le charbon et les dérivés du pétrole. Le graphite synthétique, un matériau courant pour les anodes lithium-ion, repose presque exclusivement sur ces deux derniers précurseurs. Avec sa chaîne d’approvisionnement en développement, le carbone dur est plus coûteux que le graphite et représente l’un des principaux obstacles à la production de cellules à ions sodium.
Atténuant en partie les coûts plus élevés, les batteries sodium-ion présentent une meilleure tolérance à la température, en particulier dans des conditions inférieures à zéro. Ils sont plus sûrs que le lithium-ion, car ils peuvent être déchargés à zéro volt, réduisant ainsi les risques pendant le transport et l'élimination. Les batteries lithium-ion sont généralement stockées à environ 30 % de charge. L'ion sodium présente moins de risques d'incendie, car ses électrolytes ont un point d'éclair plus élevé – la température minimale à laquelle un produit chimique peut se vaporiser pour former un mélange inflammable avec l'air. Les deux produits chimiques présentant une structure et des principes de fonctionnement similaires, l'ion sodium peut souvent être introduit dans les lignes et équipements de production d'ions lithium.
En fait, CATL, le premier fabricant mondial de batteries, intègre le sodium-ion dans son infrastructure et ses produits lithium-ion. Sa première batterie sodium-ion, sortie en 2021, avait une densité énergétique de 160 Wh/kg, avec une promesse de 200 Wh/kg dans le futur. En 2023, CATL a déclaré que le constructeur automobile chinois Chery serait le premier à utiliser ses batteries sodium-ion. CATL a dit magazine pv fin 2023, elle a développé une chaîne industrielle de base pour les batteries sodium-ion et établi une production de masse. L'échelle de production et les expéditions dépendront de la mise en œuvre du projet du client, a déclaré CATL, ajoutant qu'il reste encore beaucoup à faire pour le déploiement commercial à grande échelle de l'ion sodium. "Nous espérons que l'ensemble de l'industrie travaillera ensemble pour promouvoir le développement des batteries sodium-ion", a déclaré le fabricant de batteries.
Charge au sodium
En janvier 2024, BYD, le plus grand constructeur automobile chinois et deuxième fournisseur de batteries, a annoncé avoir commencé la construction d'une usine de batteries sodium-ion d'une valeur de 10 milliards CNY (1.4 milliard de dollars), soit 30 GWh par an. La sortie alimentera les appareils de « micromobilité ». HiNa, issue de l'Académie chinoise des sciences, a mis en service en décembre 2022 une ligne de production de batteries sodium-ion à l'échelle du gigawattheure et a annoncé une gamme de produits de batteries Na-ion et un prototype de voiture électrique.
Le fabricant européen de batteries Northvolt a dévoilé des cellules de batterie sodium-ion validées de 160 Wh/kg en novembre 2023. Développée avec Altris – issue de l'Université d'Uppsala, en Suède – la technologie sera utilisée dans le dispositif de stockage d'énergie de nouvelle génération de l'entreprise. L'offre actuelle de Northvolt est basée sur la chimie NMC. Lors du lancement, Wilhelm Löwenhielm, directeur principal du développement commercial de Northvolt pour les systèmes de stockage d'énergie, a déclaré que la société souhaitait une batterie compétitive à grande échelle avec la LFP. « Au fil du temps, la technologie devrait largement dépasser celle du LFP en termes de compétitivité-coût », a-t-il déclaré.
Northvolt souhaite une batterie « plug-and-play » pour une entrée et une mise à l'échelle rapides sur le marché. « Les activités clés pour mettre cette technologie particulière sur le marché consistent à étendre la chaîne d'approvisionnement en matériaux de qualité batterie, ce que Northvolt réalise actuellement en collaboration avec des partenaires », a déclaré Löwenhielm.
Les petits acteurs font également leur part pour commercialiser la technologie des ions sodium. Faradion, qui a été acquis par le conglomérat indien Reliance Industries en 2021, affirme qu'il transfère désormais sa conception de cellules de nouvelle génération vers la production. « Nous avons développé une nouvelle technologie de cellule et une nouvelle empreinte avec une densité énergétique 20 % plus élevée et une durée de vie augmentée d'un tiers par rapport à notre conception de cellule précédente », a déclaré James Quinn, PDG de Faradion.
Les cellules de première génération de l'entreprise ont démontré une densité énergétique de 160 Wh/kg. En 2022, Quinn a déclaré que le plan de Reliance était de construire une usine d'ions sodium à deux chiffres d'un gigawatt en Inde. Pour l’instant, il semble que ces plans soient toujours en place. En août 2023, le président de Reliance, Mukesh Ambani, a déclaré lors de l'assemblée annuelle des actionnaires de la société que l'activité « se concentre sur la commercialisation accélérée de notre technologie de batterie sodium-ion… Nous bâtirons sur notre leadership technologique en industrialisant la production de cellules sodium-ion à un niveau de mégawatt d'ici 2025 et atteindre rapidement une échelle gigantesque par la suite », a-t-il déclaré.
Production
La start-up Tiamat a avancé son projet de construction d'une usine de production de 5 GWh dans les Hauts-de-France. En janvier 2024, elle a levé 30 millions d'euros (32.4 millions de dollars) en fonds propres et en dette et a déclaré qu'elle prévoyait d'achever le financement de son projet industriel dans les mois à venir, portant le financement total à environ 150 millions d'euros. L’entreprise, une spin-off du Centre national de la recherche scientifique, fabriquera dans son usine dans un premier temps des cellules sodium-ion pour les outils électriques et les applications de stockage stationnaires, « pour honorer les premières commandes déjà reçues ». Il ciblera ensuite la production à grande échelle de produits de deuxième génération destinés aux applications de véhicules électriques à batterie.
Aux États-Unis, les acteurs de l’industrie intensifient également leurs efforts de commercialisation. En janvier 2024, Acculon Energy a annoncé la production en série de ses modules et packs de batteries sodium-ion pour les applications de mobilité et de stockage d'énergie stationnaire et a dévoilé son intention d'étendre sa production à 2 GWh d'ici la mi-2024. Pendant ce temps, Natron Energy, une spin-off de l'Université de Stanford, avait l'intention de commencer à produire en masse ses batteries sodium-ion en 2023. Son objectif était de fabriquer 600 MW de cellules sodium-ion dans l'usine lithium-ion Meadowbrook du producteur de batteries Clarios International, dans le Michigan. Les mises à jour sur les progrès ont toutefois été limitées.
Financement
En octobre 2023, Peak Energy a émergé avec un financement de 10 millions de dollars et une équipe de direction composée d'anciens dirigeants de Northvolt, Enovix, Tesla et SunPower. La société a déclaré qu'elle importerait dans un premier temps des cellules de batterie et que cela ne devrait pas changer avant début 2028. "Il vous faut environ un milliard de dollars pour une usine de gigawatts à petite échelle - pensez à moins de 10 GW", a déclaré Landon Mossburg, PDG de Peak Energy, lors du lancement. . "Le moyen le plus rapide d'accéder au marché est donc de construire un système avec des cellules disponibles auprès d'un tiers, et la Chine est le seul pays à renforcer ses capacités pour expédier suffisamment de cellules." À terme, la société espère pouvoir bénéficier de crédits de contenu national en vertu de la loi américaine sur la réduction de l'inflation.
Certains fournisseurs, comme l'indien KPIT, sont entrés dans le secteur sans aucun plan de production. L'activité de logiciels et de solutions d'ingénierie automobiles a dévoilé sa technologie de batterie sodium-ion en décembre 2023 et s'est lancée dans la recherche de partenaires de fabrication. Ravi Pandit, président de KPIT, a déclaré que la société avait développé plusieurs variantes avec une densité énergétique allant de 100 Wh/kg à 170 Wh/kg, et pouvant atteindre 220 Wh/kg.
"Lorsque nous avons commencé à travailler sur les batteries sodium-ion, les attentes initiales en matière de densité énergétique étaient assez faibles", a-t-il déclaré. "Mais au cours des huit dernières années, la densité énergétique a augmenté en raison des développements que nous et d'autres entreprises avons réalisés." D’autres sont à la recherche de partenariats d’approvisionnement. L'année dernière, le groupe technologique finlandais Wärtsilä – l'un des principaux intégrateurs mondiaux de systèmes de stockage d'énergie par batterie – a déclaré qu'il recherchait des partenariats ou des acquisitions potentiels dans ce domaine. À l’époque, elle s’orientait vers des tests de technologie dans ses installations de recherche. "Notre équipe reste déterminée à rechercher de nouvelles opportunités en termes de diversification des technologies de stockage d'énergie, telles que l'intégration de batteries sodium-ion dans nos futures solutions de stockage d'énergie stationnaire", a déclaré Amy Liu, directrice du développement de solutions stratégiques chez Wärtsilä Energy Storage and Optimization, en février. 2024.
Opportunité de délocalisation
Suite à de nombreuses annonces de production de masse, les batteries sodium-ion sont désormais parvenues à un point décisif et l'intérêt des investisseurs déterminera le sort de la technologie. L'analyse de marché d'IDTechEx, réalisée en novembre 2023, suggère une croissance attendue d'au moins 40 GWh d'ici 2030, avec 100 GWh supplémentaires de capacité de fabrication dépendant du succès du marché d'ici 2025.
"Ces projections supposent un boom imminent dans l'industrie [des batteries sodium-ion], qui dépend d'un engagement commercial au cours des prochaines années", a déclaré Siddiqi.
L’ion sodium pourrait offrir une autre opportunité aux chaînes d’approvisionnement d’énergie propre à proximité des côtes, les matières premières nécessaires étant si facilement disponibles dans le monde entier. Il semble cependant que le train ait déjà quitté la gare.
"Comme pour les premiers stades du marché des batteries lithium-ion, le principal goulot d'étranglement pour l'industrie mondiale sera la domination de la Chine", a déclaré Hartley de Benchmark. « En 2023, 99.4 % de la capacité des cellules sodium-ion était basée en Chine et ce chiffre ne devrait tomber qu'à 90.6 % d'ici 2030. Alors que la politique en Europe et en Amérique du Nord cherche à éloigner les chaînes d'approvisionnement des batteries lithium-ion de la Chine, en raison à la dépendance à l’égard de sa production nationale, un changement sera également nécessaire sur le marché des ions sodium pour créer des chaînes d’approvisionnement localisées.
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