Des chercheurs de Sandia National Laboratories ont conçu une nouvelle classe de batteries au sodium fondu pour le stockage d'énergie à l'échelle du réseau. Les batteries au sodium fondu sont utilisées depuis de nombreuses années pour stocker de l'énergie à partir de sources renouvelables, telles que les panneaux solaires et les éoliennes. Cependant, les batteries au sodium fondu disponibles dans le commerce, appelées batteries sodium-soufre, fonctionnent généralement à 520-660 degrés Fahrenheit. La nouvelle batterie à l'iodure de sodium fondu de Sandia fonctionne à une température beaucoup plus froide de 230 degrés Fahrenheit.
"Nous avons travaillé pour abaisser la température de fonctionnement des batteries au sodium fondu aussi bas que physiquement possible", a déclaré Leo Small, le chercheur principal du projet. « Il y a toute une économie de coûts en cascade qui vient avec l'abaissement de la température de la batterie. Vous pouvez utiliser des matériaux moins chers. Les batteries ont besoin de moins d'isolation et le câblage qui relie toutes les batteries peut être beaucoup plus fin.
Cependant, la chimie de la batterie qui fonctionne à 550 degrés ne fonctionne pas à 230 degrés, a-t-il ajouté. Parmi les innovations majeures qui ont permis cette température de fonctionnement plus basse, il y a le développement de ce qu'il appelle un catholyte. Un catholyte est un mélange liquide de deux sels, dans ce cas, l'iodure de sodium et le chlorure de gallium.
Les bases pour construire de meilleures batteries
Une batterie au plomb basique, couramment utilisée comme batterie d'allumage de voiture, a une plaque de plomb et une plaque de dioxyde de plomb avec un électrolyte d'acide sulfurique au milieu. Lorsque l'énergie est déchargée de la batterie, la plaque de plomb réagit avec l'acide sulfurique pour former du sulfate de plomb et des électrons. Ces électrons démarrent la voiture et retournent de l'autre côté de la batterie, où la plaque de dioxyde de plomb utilise les électrons et l'acide sulfurique pour former du sulfate de plomb et de l'eau. Pour la nouvelle batterie au sodium fondu, la plaque de plomb est remplacée par du sodium métal liquide, et la plaque de dioxyde de plomb est remplacée par un mélange liquide d'iodure de sodium et d'une petite quantité de chlorure de gallium, a déclaré Erik Spoerke, un scientifique des matériaux qui a travaillé sur les batteries au sodium fondu depuis plus d'une décennie.
Lorsque l'énergie est déchargée de la nouvelle batterie, le sodium métallique produit des ions sodium et des électrons. De l'autre côté, les électrons transforment l'iode en ions iodure. Les ions sodium traversent un séparateur jusqu'à l'autre côté où ils réagissent avec les ions iodure pour former un sel d'iodure de sodium fondu. Au lieu d'un électrolyte d'acide sulfurique, le milieu de la batterie est un séparateur en céramique spécial qui permet uniquement aux ions sodium de se déplacer d'un côté à l'autre, rien d'autre.
"Dans notre système, contrairement à une batterie lithium-ion, tout est liquide des deux côtés", a déclaré Spoerke. « Cela signifie que nous n'avons pas à traiter de problèmes tels que le matériau subissant des changements de phase complexes ou s'effondrant ; c'est tout liquide. Fondamentalement, ces batteries à base de liquide n'ont pas une durée de vie aussi limitée que de nombreuses autres batteries.
En fait, les batteries commerciales au sodium fondu ont une durée de vie de 10 à 15 ans, nettement plus longue que les batteries plomb-acide standard ou les batteries lithium-ion.
Des batteries longue durée plus sûres
La petite batterie à l'iodure de sodium de Sandia a été testée pendant huit mois à l'intérieur d'un four. Martha Gross, une chercheuse postdoctorale qui a travaillé sur les tests de laboratoire au cours des deux dernières années, a mené des expériences de charge et de décharge de la batterie plus de 400 fois au cours de ces huit mois.
En raison de la pandémie de COVID-19, ils ont dû suspendre l'expérience pendant un mois et laisser le sodium fondu et le catholyte refroidir à température ambiante et geler, a-t-elle déclaré. Gross était heureux qu'après avoir réchauffé la batterie, cela fonctionnait toujours.
Cela signifie que si une perturbation énergétique à grande échelle devait se produire, comme ce qui s'est produit au Texas en février, les batteries à l'iodure de sodium pourraient être utilisées, puis laissées refroidir jusqu'à ce qu'elles soient gelées. Une fois la perturbation terminée, ils pouvaient être réchauffés, rechargés et remis en fonctionnement normal sans processus de démarrage long ou coûteux, et sans dégradation de la chimie interne de la batterie, a ajouté Spoerke.
Les batteries à l'iodure de sodium sont également plus sûres. Spoerke a déclaré: «Une batterie lithium-ion prend feu lorsqu'il y a une défaillance à l'intérieur de la batterie, entraînant une surchauffe incontrôlée de la batterie. Nous avons prouvé que cela ne peut pas arriver avec la chimie de nos batteries. Notre batterie, si vous deviez retirer le séparateur en céramique et laisser le sodium métallique se mélanger aux sels, rien ne se passe. Certes, la batterie ne fonctionne plus, mais il n'y a pas de réaction chimique violente ni d'incendie.
Si un incendie extérieur engloutit une batterie à l'iodure de sodium, il est probable que la batterie se fissure et tombe en panne, mais elle ne devrait pas ajouter de carburant au feu ou provoquer un incendie au sodium, a ajouté Small.
De plus, à 3.6 volts, la nouvelle batterie à l'iodure de sodium a un fonctionnement 40 % plus élevé Tension qu'une batterie commerciale au sodium fondu. Cette tension conduit à une densité énergétique plus élevée, ce qui signifie que les futures batteries potentielles fabriquées avec cette chimie auraient besoin de moins de cellules, de moins de connexions entre les cellules et d'un coût unitaire global inférieur pour stocker la même quantité d'électricité, a déclaré Small.
"Nous étions vraiment enthousiasmés par la quantité d'énergie que nous pourrions potentiellement entasser dans le système en raison du nouveau catholyte que nous rapportons dans cet article", a ajouté Gross. « Les batteries au sodium fondu existent depuis des décennies, et elles sont partout dans le monde, mais personne n'en parle jamais. Donc, pouvoir abaisser la température et revenir avec quelques chiffres et dire : « c'est un système vraiment, vraiment viable » est plutôt chouette. »
L'avenir des batteries sodium-iodure
La prochaine étape du projet de batterie à l'iodure de sodium consiste à continuer d'affiner et d'affiner la chimie du catholyte pour remplacer le composant de chlorure de gallium, a déclaré Small. Le chlorure de gallium est très cher, plus de 100 fois plus cher que le sel de table.
L'équipe travaille également sur divers ajustements techniques pour que la batterie se charge et se décharge plus rapidement et plus complètement, a ajouté Spoerke. Une modification précédemment identifiée pour accélérer la charge de la batterie consistait à enduire le côté sodium fondu du séparateur en céramique d'une fine couche d'étain.
Spoerke a ajouté qu'il faudrait probablement cinq à 10 ans pour commercialiser les batteries à l'iodure de sodium, la plupart des défis restants étant des défis de commercialisation plutôt que des défis techniques.
"Il s'agit de la première démonstration d'un cycle stable à long terme d'une batterie au sodium fondu à basse température", a déclaré Spoerke. « La magie de ce que nous avons mis en place est que nous avons identifié la chimie et l'électrochimie du sel qui nous permettent de fonctionner efficacement à 230 degrés Fahrenheit. Cette configuration à l'iodure de sodium à basse température est en quelque sorte une réinvention de ce que signifie avoir une batterie au sodium fondu.
Le développement de la nouvelle batterie au sodium a été soutenu par l'Office of Energy du ministère de l'Énergie. Électricité Programme de stockage d'énergie.