thumb|Exemple d'accumulateurs et onduleur pour les besoins d'une maison (expo Sindelfingen Haus & Energie 2019 en Allemagne).
Un accumulateur sodium-ion (ou batterie sodium-ion, ou à ion sodium en français) est un type d'accumulateur électrique, utilisant un sel de sodium pour stocker de l'énergie électrique.
Histoire Cette technologie a été mise au point dans les années 1970, puis abandonnée face aux batteries lithium-ion. Elle a réémergé. à l'été 2021, en particulier chez le fabricant chinois Contemporary Amperex Technology (CATL), entreprise créée en 2011 et qui en 2021 produisait 32,5 % des batteries pour véhicules électriques. Ces accumulateurs ont une densité d'énergie plus faible que les accumulateurs lithium-ion, mais ils sont une alternative moins chère (faits de matériaux très abondants partout dans le monde) et à moindre impact écologique. Par ailleurs, ils offrent un degré de sécurité plus élevé grâce à des matériaux de cathode moins réactifs, une moindre densité d'énergie de cellule et, dans certains cas, d'électrolytes moins inflammables..
CATL annonce en 2026 être prêt à produire un accumulateur en grande série avant la fin de l'année.
Principes Comme toutes les batteries, la batterie sodium-ion stocke de l'énergie électrique via des liaisons chimiques qui peuvent se faire et se défaire côté anode. Quand la batterie est en charge des ions Na+ se « désintercalent » et migrent vers l'anode. Durant le temps d'équilibrage de charge, des électrons migrent de la cathode vers l'anode à travers le circuit externe contenant le chargeur. Lors de la décharge le processus s'inverseZumdahl, Steven (3 December 2007). Chemical Principles. Cengage Learning. . ..
Matériaux d'électrode positive Un matériau d'électrode positive pour les batteries sodium-ion est un matériau qui peut réagir de manière réversible avec le sodium à un potentiel haut et présentant une capacité spécifique élevée. La réversibilité est importante afin que de nombreux cycles puissent être réalisés sans perte de capacité.
Phosphates Les phosphates constituent une famille de matériaux très étudiée en tant que matériau d'électrode positive pour les batteries sodium-ion. L'avantage de ces matériaux est que les ions polyatomiques ont un fort effet inductif sur le métal de transition, ce qui diminue l'énergie de transition du couple redox du métal et par conséquent crée un potentiel électrochimique élevé. Ils sont de plus très stables. Les matériaux dits (Na superionic conductor) ont une formule . Leur comportement et leur structure sont bien connus car ils ont longtemps été étudiés comme électrolytes solides (notamment pour les systèmes sodium-air et sodium-soufre). Delmas et al. ont tout d'abord démontré que pouvait être électrochimiquement actif de façon réversible avec le sodium. a été testé récemment et montre 2 paliers à 1,63 et correspondant respectivement aux transitions V/V et V/V. La capacité spécifique est d'environ pendant . À la suite de cela, de nombreuses publications sur ce matériau, ou sur des composés qui s'en rapprochent avec un métal de transition différent, montrent qu'il était possible d'améliorer leurs caractéristiques. Ainsi, Saravanan et al. ont réussi à obtenir, avec ce matériau, une capacité spécifique supérieure à pendant plus de Saravanan, K., Mason, C.W., Rudola, A., Wong, K.H. and Balaya, P. Advanced Energy Materials, 2012, 3, 244.. Le fait que ce matériau fonctionne sur deux plateaux de potentiels distincts de près de a permis le développement de batteries symétriques tout-solideNoguchi, Y., Kobayashi, E., Plashnitsa, L.S., Okada, S. and Yamaki, J.-i. Electrochimica Acta, 2013, 101 59.Plashnitsa, L.S., Kobayashi, E., Noguchi, Y., Okada, S. and Yamaki, J.-i. Journal of The Electrochemical Society, 2009, 157, A536-A543..
Coûts Ses promoteurs espèrent qu'une fois produite en masse, la technologie sodium-ion sera beaucoup moins chère que son alternative à base de lithium, du fait du faible coût du sodiumPalomares, V., Serras, P., Villaluenga, I., Hueso, K.B., Carretero-Gonzalez, J. and Rojo, T. Energy & Environmental Science, 2011, 5, 588Bullis, Kevin (December 2, 2009). « Sodium-Ion Cells for Cheap Energy Storage ». Technology Review. et d'un assemblage plus simpleDelmas, C., Nadiri, A. and Soubeyroux, J.L. Solid State Ionics, 1988, 28, 419... En avril 2026, l'entreprise chinoise CATL annonce une production en série dès la fin de l'année..
Le sodium est beaucoup plus abondant et facile à extraire que le lithium. On trouve 2,6 % de sodium dans la croûte terrestre, contre 0,06 % de lithium ; de plus, on le trouve notamment dans l'eau de mer, sous forme de chlorure de sodium (NaCl), alors que les ressources exploitables en lithium ne se trouvent que dans quelques régions du globe : Argentine, Chili et Bolivie détiennent les deux tiers des ressources mondialesUne start-up pour des batteries de plus en plus rapides, CNRS, 23 novembre 2017..
La combinaison des deux technologies (sodium et lithium) pourrait peut-être permettre de produire des batteries très efficientes et moins chères Delmas, C., Cherkaoui, F., Nadiri, A. et Hagenmuller, P., Materials Research Bulletin, 1987, 22, 631...
Recherche et développement, prospective En 2007, des cellules sodium-ion se sont montrées capables d'entretenir une tension de (pour ) après de charge/décharge, soit une énergie spécifique à la cathode équivalent à environ Ellis, B. L.; Makahnouk, W. R. M.; Makimura, Y.; Toghill, K.; Nazar, L. F. (2007). "A multifunctional 3.5V iron-based phosphate cathode for rechargeable batteries". Nature Materials 6 (10): 749–53. doi:10.1038/nmat2007. ., mais leur performance pour ce qui est du nombre de cycles n'atteint pas à ce jour celles des batteries de type non-aqueux Li-ion commercialisées.
Les recherches à l'université de Tokyo ont conduit à un prototype en Jian, Z., Zhao, L., Pan, H., Hu, Y.-S., Li, H., Chen, W. and Chen, L. Electrochemistry Communications, 2011, 14, 86...
En 2014, Aquion Energy a réussi à produire une batterie hybride lithium-ion / sodium-ion commercialement disponible avec un coût et des capacités (en kWh) semblables à ceux d'une batterie plomb-acide, et pouvant être utilisée comme source d'alimentation de secours pour des micro-réseaux électriques (microgrids)Jian, Z., Han, W., Lu, X., Yang, H., Hu, Y.-S., Zhou, J., Zhou, Z., Li, J., Chen, W., Chen, D. and Chen, L. Advanced Energy Materials, 2013, 3, 156... Malgré ces résultats prometteurs, Aquion a déposé son bilan en ..
Une autre société (Faradion) produit une gamme de matériaux « sodium-ion » à faible coût, qui sont une alternative aux technologies lithium-ion. Contrairement aux batteries sodium-soufreChihara, K., Kitajou, A., Gocheva, I.D., Okada, S. and Yamaki, J.-I. Journal of Power Sources, 2012, 227, 80.A536-A543., des batteries aux ions sodium peuvent être portables et fonctionner à température ambiante (environ ). Par rapport aux modèles « lithium-ion », les accumulateurs sodium-ion offrent aussi des fonctionnalités améliorées en matière de sécurité et de transport. Faradion affirme avoir amélioré le nombre de cycles de recharge complète d'un accumulateur Na-ion en utilisant une cathode en oxyde lamellaire..
Dans les batteries devant rapidement se charger/décharger, souvent les anodes rigides sont trop fragiles pour résister aux cycles de rétractions/gonflements induits par les flux d'ions qui vont et viennent lors des cycles de charge/décharge. Une étude récente a montré que le remplacement de telles anodes par des anodes en bois recouvert d'étain pourrait être intéressant : les anodes souples de bois étamé ont ainsi résisté à plus de de charge. Après ces centaines de cycles, le bois ridé était presque intact. Les modèles informatiques indiquent que ces types de rides peuvent réduire efficacement le stress pendant la charge et la décharge. Les ions Na se déplacent à travers les parois des cellules fibreuses et diffuse au (Sn) surface du film d'étain...
Une autre étude a testé la possibilité d'utiliser un composite MoS2/papier graphène comme une électrode, en réussissant à produire avec un rendement de Faraday atteignant environ 99 %....
Fin 2015, le réseau français RS2E a présenté un prototype de batterie sodium-ion 18650 avec , dont la durée de vie (nombre maximum de cycles de charge et de décharge) dépasse les ..
En , la start-up Tiamat est créée pour concevoir, développer et produire cette batterie sodium-ion qui aurait plus de 10 ans d'espérance de vie contre 3-4 ans pour celles au lithium dans des conditions d'usage continu, et des charges et des recharges 10 fois plus rapides ; les marchés visés sont le stockage stationnaire (stockage de masse des énergies renouvelables intermittentes, éolienne ou solaire) et le stockage mobile pour des véhicules électriques (bus rechargeables en fin de ligne, aux flottes de véhicules en location). En , Tiamat lève d'euros pour finaliser la mise au point de ses batteries sodium-ion en testant ses prototypes directement chez ses clients ; une fois ces tests achevés, d'ici à dix-huit mois, elle pourra lancer la phase d'industrialisation en installant en 2020 un démonstrateur produisant les premières séries de batteries.. Fin 2019, Tiamat annonce des cellules pouvant être chargées en 5 minutes et ayant une durée de vie de (en gardant 80 % de leur capacité) mais une capacité inférieure de 40 % aux lithium-ion (en augmentation de 30 % sur les deux dernières années)....
En , l'université Washington de Saint-Louis a développé une batterie sodium-ion sans anode qui aurait la même densité que les batteries lithium-ion, tout en étant moins chère et plus légère (du fait de l'absence d'anode)..
En , la fabricant de batteries chinois CATL (30 % du marché mondial) présente une nouvelle batterie sodium-ion qui offre une meilleure capacité de recharge et une stabilité thermique améliorée ; la densité énergétique reste toutefois limitée à contre (soit 43% de moins) pour une batterie au lithium. Mais CATL promet que la densité de ses batteries au sodium atteindra bientôt (soit 30% de moins). Du fait de ce manque de densité, la technologie sodium-ion pourrait mieux convenir aux véhicules de faible gabarit. CATL présente aussi une batterie mixte qui combine des cellules sodium-ion et des cellules lithium-ion afin de bénéficier des avantages de chaque technologie, l'ensemble étant contrôlé par un algorithme de précision. Le déploiement des batteries sodium-ion a déjà débuté et CATL compte les industrialiser à grande échelle dès 2023CATL présente une batterie sodium-ion très prometteuse, automobile-propre.com, 30 juillet 2021..
En , Northvolt révèle avoir mis au point une batterie au sodium-ion, qui n'a pas encore une capacité suffisante pour être installée dans une voiture électrique, mais sa densité énergétique de lui permet de pouvoir stocker des énergies renouvelables. En comparaison, les cellules 4680 de Tesla offrent une densité de Northvolt avance sur sa batterie qui peut révolutionner la voiture électrique, automobile-propre.com, 24 novembre 2023..
Des batteries sodium-ion dont les électrodes sont à base de matériaux organiques ont été développées, parmi d'autres alternatives écologique et économique aux batteries lithium-ion.
Des batteries sodium-ion dont la densité d'énergie et la stabilité et la soutenabilité ont été améliorées par des matériaux avancés (phosphore noir et le graphène., déchets non biodégradables recyclés en anodes., gels-polymères comme électrolytes....) ont été expérimentalement produites.