Batterie au sodium vs lithium vs plomb-acide - pourquoi la batterie au sodium est-elle si populaire ?
Introduction aux piles au sodium
Les piles au sodium et les piles au lithium sont des piles secondaires à chaise basculante, c'est-à-dire des piles secondaires qui reposent sur l'intercalation et la désintercalation d'ions entre la cathode et l'anode. Les matériaux de la cathode et de l'anode permettent l'insertion et l'extraction réversibles d'ions sodium.
Au cours du processus de charge, les ions sodium sont désintercalés de la cathode et insérés dans l'anode à travers l'électrolyte. En même temps, la charge de compensation des électrons est fournie à l'anode par le circuit externe, de sorte que la cathode et l'anode subissent des réactions d'oxydoréduction pour assurer l'équilibre des charges de la cathode et de l'anode ; c'est l'inverse qui se produit pendant la décharge.
Le prix des ressources en lithium est élevé et les avantages des piles au sodium ont attiré beaucoup d'attention.
L'offre de ressources en lithium est limitée en raison des conditions d'exploitation minière et de la technologie d'extraction du lithium. Le lithium est le métal dont la densité est la plus faible dans la nature, il possède une activité électrochimique extrêmement forte et a une fonction de stockage de l'énergie. En termes de quantité totale de ressources, il n'est pas rare, mais en raison de l'impact des conditions minières et de la technologie d'extraction du lithium, de nombreuses ressources estimées ne peuvent pas être converties en réserves.
La raréfaction des ressources et l'augmentation des domaines d'application et de la demande de batteries lithium-ion telles que batterie de motoBatterie au lithium pour le stockage de l'énergie et autres batteries d'outils électriques ont entraîné une forte hausse des prix du lithium. L'augmentation rapide du taux de pénétration des véhicules électriques a entraîné une forte demande de piles au lithium de puissance, et le stockage de l'énergie est progressivement devenu une application importante des piles au lithium.
Sous l'effet de la demande en aval, le prix du carbonate de lithium continue d'augmenter et le coût des matériaux pour batteries au lithium a également doublé. La répartition des ressources en lithium dans le monde est inégale. La Chine n'est pas riche en ressources de lithium et ses propres ressources représentent moins de 7%.
En tant que grand pays producteur de batteries au lithium, la Chine risque de voir sa chaîne d'approvisionnement menacée par le manque de ressources à long terme, et le développement de solutions de remplacement est d'une grande importance pour la sécurité industrielle. Il est difficile de faire coïncider la part de 7% du stockage de l'énergie à base de lithium avec la part de marché de plus de 60% des batteries de puissance.
Récemment, des pays riches en lithium, comme le Canada, ont imposé des restrictions aux entreprises d'autres pays pour l'exploitation de leurs propres mines de lithium. Dans le contexte actuel d'intensification des conflits commerciaux mondiaux et d'instabilité géopolitique, le développement d'alternatives telles que les batteries sodium-ion revêt une grande importance pour garantir l'approvisionnement énergétique et la sécurité industrielle de la Chine.
Comparaison des systèmes de matériaux entre les piles au sodium et les piles au lithium
Les batteries au sodium sont similaires aux batteries au lithium en termes de principe et de structure. En termes de sélection des matériaux, il existe encore de grandes différences entre les batteries sodium-ion et les batteries lithium-ion, ce qui entraîne indirectement des différences de coût entre les deux.
Comparaison des systèmes de matériaux entre les piles au sodium et les piles au lithium
| Batterie à ions sodium | Batterie au lithium-ion | |
|---|---|---|
| Cathode | Oxydes stratifiés, analogues du bleu de Prusse, composés polyanioniques | Phosphate de fer et de lithium, ternaire (différentes proportions de nickel-cobalt-manganèse-lithium) |
| Anode | Matériaux à base de carbone, matériaux à base de titane, matériaux d'alliage, etc. | Graphite, carbone silicium |
| Séparateur | PP/PE | PP/PE |
| Électrolyte | Anions sodiques tels que l'hexafluorophosphate de sodium | Hexafluorophosphate de lithium, LiFSI |
| Collecteur de courant | Feuille d'aluminium | Feuille d'aluminium cathodique, feuille de cuivre anodique |
Cathode : Les ions sodium ont un rayon plus grand que les ions lithium, ce qui rend difficile leur intercalation/extraction à partir de matériaux cathodiques et anodiques stratifiés. Par conséquent, le matériau de la cathode à ions sodium manque de densité énergétique.
Parallèlement, afin de faciliter l'intercalation/extraction des ions sodium, le choix du matériau de cathode correspondant est également différent de celui de la batterie lithium-ion. À l'heure actuelle, les matériaux de cathode pour les ions sodium sont principalement divisés en oxydes stratifiés, composés prussiens et polyanioniques.
Anode : Le graphite couramment utilisé dans les batteries lithium-ion ne peut pas intercaler efficacement les ions sodium et doit être remplacé. À l'heure actuelle, l'itinéraire technique de l'anode de batterie au sodium peut être divisé en matériaux à base de carbone, matériaux à base de titane et matériaux d'alliage.
Électrolyte : La conductivité molaire des ions sodium est plus élevée, la concentration d'électrolyte requise est plus faible, et les besoins en additifs sont également plus faibles, ce qui se traduit par des coûts d'électrolyte moins élevés.
Collecteur actuel : Les batteries lithium-ion nécessitent un collecteur de courant cathodique en aluminium et un collecteur de courant anodique en cuivre. Les collecteurs de courant de la cathode et de l'anode des batteries sodium-ion peuvent utiliser des feuilles d'aluminium à moindre coût, ce qui présente des avantages en termes de coûts.
Les piles au sodium présentent des avantages évidents par rapport aux piles plomb-acide
Par rapport aux batteries au lithium, les batteries au sodium sont proches du phosphate de fer lithié en termes de densité énergétique et présentent des avantages en termes de performances à basse température, de sécurité et de rapidité de charge :
Densité énergétique : La densité énergétique des cellules de batterie au sodium est supérieure à celle des batteries plomb-acide et similaire à celle du phosphate de fer-lithium. Actuellement, la densité énergétique des batteries sodium-ion commerciales est de 90~160Wh/kg, ce qui est beaucoup plus élevé que les 50~70Wh/kg des batteries plomb-acide.
Par rapport aux batteries au plomb, la durée du cycle présente des avantages évidents et elle est plus respectueuse de l'environnement. À l'avenir, les batteries au plomb pourraient être entièrement remplacées. Par rapport aux batteries lithium-ion, la densité énergétique des batteries au sodium est proche du niveau de 120~180Wh/kg des batteries au phosphate de fer lithié.
Performance à basse température : La plage de température normale de fonctionnement des piles au sodium est de -40°C à 50°C (piles au lithium -20~60°C), et le taux de rétention de la capacité est de près de 90% à -20°C. Comparé aux batteries plomb-acide et aux batteries lithium-phosphate de fer, le taux de rétention de la capacité de 60%~70% présente des avantages évidents, et les performances à basse température sont excellentes.
La sécurité : La résistance interne des batteries sodium-ion est plus élevée, et la température d'emballement thermique est plus élevée que celle des batteries lithium-ion. Dans des tests tels que la surcharge et la décharge excessive, l'acupuncture et l'extrusion, les performances de sécurité des batteries sodium-ion sont excellentes.
Performance de charge rapide : Les batteries sodium-ion ont un meilleur rendement et conviennent à des applications telles que la charge rapide, le stockage réactif de l'énergie dans certains secteurs de l'économie. les 5 premières entreprises de batteries de stockage d'énergieet une alimentation électrique à grande échelle.
Conclusion
En combinant les caractéristiques ci-dessus, les batteries sodium-ion sont proches du phosphate de fer lithié en termes de performances. Le principal écart actuel entre les batteries au sodium et les batteries au phosphate de fer-lithium se situe au niveau de la durée du cycle. Le sodium ayant un rayon ionique et une masse molaire plus importants que le lithium, la durée de vie des batteries au sodium à ce stade est généralement de 2000 à 3000 fois, et la densité énergétique diminuera de manière significative si le nombre de cycles est augmenté.
En termes de performances globales, dans un contexte de baisse des coûts, les batteries sodium-ion devraient remplacer les batteries plomb-acide et compléter les batteries lithium-ion. Elles sont les premières à être popularisées et appliquées dans des segments de marché tels que le stockage de l'énergie, les véhicules électriques à faible et moyen kilométrage et les véhicules à deux roues.
