Progrès dans le domaine des batteries：all-solid-state battery that does not use rare metals (batteries à l'état solide qui n'utilisent pas de métaux rares)
Batterie à ions sodium à l'état solide
Les batteries au sodium à l'état solide (ASSB) ont de vastes perspectives d'application en raison de leurs abondantes ressources en sodium et de leur densité énergétique extrêmement élevée. Les batteries au sodium à l'état solide ont fait l'objet d'une attention particulière en raison de leur sécurité, de leur ininflammabilité, de leur bonne stabilité thermique et de leur faible prix, et présentent un grand potentiel pour les systèmes de stockage d'énergie à grande échelle.
Toutefois, l'application pratique des ASSB se heurte encore à de grandes difficultés, telles que l'absence d'une variété d'électrolytes à l'état solide (SE), la faible conductivité ionique, la résistance élevée au transfert de charge, les problèmes interfaciaux des SE et la croissance des dendrites de Na dans les ASSB, l'application de Na métallique peut améliorer la densité énergétique et l'électrolyte solide peut également supprimer la croissance des dendrites.
La mise au point d'électrolytes a toujours été le facteur le plus important limitant le développement de batteries à l'état solide. Les électrolytes solides de haute performance fonctionnant à température ambiante doivent présenter une grande stabilité chimique, une conductivité ionique élevée, de bonnes propriétés mécaniques, une compatibilité interfaciale, etc. Il existe trois types d'électrolytes solides : les électrolytes polymères solides (SPE), les électrolytes solides inorganiques (ISE) et leurs composites.
Les plus étudiés sont les oxydes, les sulfures et les borohydrures. Les interfaces cathode/électrolyte et anode/électrolyte des ASSB souffrent d'un contact interfacial insuffisant en raison de contacts mécaniquement rigides. En outre, la formation de dendrites de Na doit être étudiée dans les ASSB.
Aucun métal rare n'est utilisé
La popularité du marché des véhicules à énergie nouvelle a entraîné une augmentation rapide de la demande de piles électriques. Le nickel, le manganèse, le cobalt, le lithium et d'autres ressources, qui sont les principales matières premières des piles électriques, sont naturellement très recherchés et leurs prix augmentent également.
En Chine notamment, sous l'effet de la forte demande de véhicules à énergie nouvelle, le prix des matières premières pour les batteries d'énergie a augmenté rapidement, en particulier celui du carbonate de lithium de qualité batterie. Au début de l'année 2021, son prix n'était que de 50 000 yuans/tonne, et en décembre 2021, il était passé à 270 000 yuans/tonne.
En 2022, le prix moyen du carbonate de lithium de qualité batterie a atteint 460 000 yuans/tonne, soit une augmentation de plus de 9 fois, et il reste moins de deux mois avant de franchir la barre des 300 000 yuans/tonne le jour du Nouvel An 2022.
En outre, les prix du cobalt et du sulfate de nickel de qualité batterie ont également augmenté à des degrés divers. Selon les données, de janvier 2020 à janvier 2022, les prix du cobalt et du sulfate de nickel de qualité batterie ont augmenté respectivement de 119% et de 55%.
Le prix des matériaux de batterie à base de métaux rares a grimpé en flèche, rendant la batterie de plus en plus chère, les bénéfices des entreprises de véhicules à énergie nouvelle ont été fortement réduits et les subventions pour les véhicules à énergie nouvelle ont diminué.
En fin de compte, les constructeurs de voitures à énergie nouvelle se sont encore engagés sur la voie de l'augmentation des prix, dont la conséquence directe est que ce sont les civils qui paient la facture.
Batterie à ions sodium
Les recherches sur les batteries sodium-ion remontent au moins aux années 1970 et ont commencé presque en même temps que les recherches sur les batteries lithium-ion. Ces dernières années, avec la pénurie de ressources en lithium, les batteries sodium-ion sont revenues dans le champ de vision des gens.
Du point de vue des perspectives d'application, les batteries sodium-ion ont de vastes perspectives de développement. Par rapport aux batteries au lithium, les batteries sodium-ion présentent les avantages suivants : ressources abondantes en matières premières, faible coût, respect de l'environnement, bonnes performances à haute et basse température et grande sécurité.
Du côté des ressources, les réserves souterraines de sodium se situent au sixième rang, et le sodium est largement répandu. Les lacs salés et les mers contiennent du sodium. Le développement de batteries sodium-ion peut réduire efficacement la dépendance à l'égard des importations de ressources en lithium.
Tous les électrolytes à l'état solide
En 1980, le scientifique américain John Goodenough, le père de la batterie au lithium, a proposé le concept de batterie à l'état solide, qui est considéré comme la forme ultime de batterie.
Par rapport aux électrolytes liquides, les électrolytes solides présentent de nombreux avantages.
Tout d'abord, la sécurité de la batterie a été grandement améliorée, car l'électrolyte solide a une résistance mécanique élevée, et ne formera pas de fuite, et ne sera pas affecté par la perforation des dendrites de lithium pour court-circuiter la batterie, ce qui améliore grandement la sécurité de la batterie.
Pour améliorer la sécurité, on peut essayer d'utiliser des électrodes positives et négatives plus énergétiques. Par exemple, le matériau de l'électrode négative peut utiliser directement du lithium métallique, ce qui améliore la densité énergétique de l'ensemble de la cellule.
En outre, les batteries à l'état solide ne nécessitent pas d'électrolytes ni de séparateurs, ce qui simplifie considérablement la structure de la batterie et favorise la légèreté des batteries, ce qui constitue l'orientation future des batteries au lithium.
Avantages de toutes les batteries sodium-ion à l'état solide sans utilisation de métaux rares
Sécurité élevée
Le matériau de la batterie est entièrement constitué d'oxydes inorganiques, de sorte qu'il n'y a pas lieu de s'inquiéter des incendies ou des substances toxiques lors de l'utilisation et de la fabrication.
Excellente performance de la batterie
- Grâce à la fluidité du verre, les électrodes positives et négatives sont combinées à l'électrolyte solide pour améliorer la conductivité ionique.
- L'électrolyte solide présente de bonnes caractéristiques de cycle.
- La structure est simple et des batteries à haute densité énergétique peuvent être fabriquées en développant des matériaux actifs à haut potentiel.
Des ressources abondantes
L'utilisation du sodium, ressource abondante, ne pose pas de problème d'approvisionnement par rapport au lithium et au cobalt.
Nippon Electric Glass a été fondée en 1949 et est réputée pour ses produits en verre spécial.
En 2017, Nippon Electric Glass a entamé des recherches sur les batteries secondaires sodium-ion à l'état solide. L'électrode positive produite à titre expérimental utilise une batterie sodium-ion entièrement à l'état solide avec du verre cristallisé, qui fonctionne avec succès à température ambiante et dont l'utilisation pratique est prévue avant 2025.
En 2018, le Nippon Electric Glass Joint Institute of Industrial Technology, l'Université de technologie de Nagaoka et d'autres ont développé conjointement des batteries secondaires sodium-ion.
D'une pile de type pièce de monnaie à une pile laminée de la taille d'une paume. La durée de vie du cycle est de 500 fois et le taux de rétention de la capacité est de 88%. En atteignant le niveau d'utilisation des produits de consommation, Nippon Electric Glass a déclaré : "Le plan de production en masse des batteries utilisées dans les véhicules électriques en 2025 progresse : "Le plan de production de masse des batteries utilisées dans les véhicules électriques en 2025 progresse bien."
En 2019, l'article "Pressureless all-solidate sodium-ion battery consisting of sodium pyrophosphate glass-ceramic cathode and β″-alumina solid electrolyte composite" publié par Nippon Electric Glass sur les batteries au sodium à l'état solide a été publié dans le Journal of the American Ceramic Society "supérieur".
En 2021, Nippon Electric Glass a annoncé le développement d'un matériau d'anode en verre cristallisé, qui a été utilisé avec succès dans des batteries au sodium à l'état solide. La batterie utilise des ressources abondantes de sodium et de fer comme matériaux, et a une tension de sortie de 3V, ce qui est très pratique et comparable aux batteries secondaires lithium-ion.
