lithium

Réponse du Département Sciences et Techniques

Bonjour,

Votre question va tout à fait dans le sens de la recherche actuelle. En effet, les batteries lithium-ion équipent aujourd’hui la quasi-totalité des équipements électroniques portatifs (ordinateurs portables, tablettes, smartphones, appareils photos, …) et ce, pour une raison simple : grâce à une tension de 3,5 V, le lithium fournit en théorie la plus grande énergie ; trois fois plus légers que les ions sodium, les ions lithium permettent de fabriquer des batteries poids plume, un atout indéniable lorsqu’on parle d’électronique nomade… Seuls inconvénients du lithium : sa (relative) rareté, sa localisation dans quelques endroits ciblés (Argentine, Bolivie, Colombie, Chili, Chine, …), son coût élevé et son impact sur l’environnement (problème de recyclage notamment). C’est pour ces raisons de poids, de taille et de performance que les batteries au lithium-ion ont été privilégiées à la fin des années 80 au détriment des batteries au sodium. Commercialisées pour la première fois par Sony Energytech en 1991, elles occupent encore aujourd’hui une place prédominante sur le marché de l’électronique portable.

Mais le sodium a réussi à refaire parler de lui, notamment quand le marché des véhicules électriques a commencé à se développer, et comme ce qui est rare est cher, la crainte d’une explosion des cours du lithium a été envisagé. Et le sodium est revenu dans la course…
Comme vous le soulignez, il est effectivement présent de manière avantageusement plus abondante : 2.6% de sodium dans la croûte terrestre contre 0,06% de lithium (voir ce rapport du BRGM : Panorama du marché du lithium 2011). De plus, le sodium se trouve aussi dans les mers, sous forme de chlorure de sodium (NaCI).
En 2012, des chercheurs de l’Université des Sciences de Tokyo ont entrepris des études pour mettre au point des batteries au sodium. Des résultats encourageants ont été obtenus avec des performances analogues en comparaison des batteries au lithium. Mais des progrès restaient à faire concernant la dimension de la batterie ainsi que sa durée de vie. Voir l’article paru dans Futura-Sciences.

Plus récemment, à la fin de l’année 2015, une équipe de chercheurs français du réseau RS2E (Réseau sur le Stockage Electrochimique de l’Energie) a mis au point un premier prototype de batterie sodium-ion 18650. « La batterie sodium-ion dévoilée aujourd’hui s’inspire directement de la technologie lithium-ion, explique Jean-Marie Tarascon, le "pape" français des batteries, chimiste du solide au CNRS et professeur au Collège de France. À l’instar des ions lithium, les ions sodium se “baladent” d’une électrode à l’autre, au fil des cycles de charge et de décharge. Et ce sans faire subir aucune modification aux “matériaux hôtes” situés à chaque électrode, puisque ces derniers prennent la forme de structures cristallines dans lesquelles les ions viennent s’insérer tout en douceur. » Son format dit 18650 indique qu’elle se présente sous la forme d’un cylindre de 1,8 centimètre de diamètre sur 6,5 centimètres de hauteur. Pour l’heure, ses concepteurs restent discrets sur la composition des matériaux qui s’enroulent autour des deux électrodes de leur batterie sodium-ion – secret de fabrication. On en sait plus, en revanche, sur les performances du prototype présenté aujourd’hui : avec 90 watt-heures/kilogramme, « sa densité d’énergie (la quantité d’électricité que l’on peut stocker par kilogramme de batterie) est comparable à certaines batteries lithium-ion comme la batterie Li-ion fer/phosphate », indique Loïc Simonin, chercheur au Liten, un laboratoire du CEA associé au développement du prototype, tandis que sa durée de vie (nombre maximum de cycles de charge et de décharge) dépasse les 2 000 cycles. Des premiers résultats plus qu’encourageants, donc, d’autant qu’ils sont encore perfectibles. Voir l’article « Batteries sodium-ion : une révolution en marche » dans la revue en ligne Le journal du CNRS.

Actuellement, des chercheurs du Karlsruhe Institute of Technology (Allemagne) ont mis au point une pile sodium-ion dont l’électrode négative est fabriquée à partir d’un matériau à base de carbone issu de la dégradation de restes de pommes et l’autre électrode composé d’oxyde de sodium. Sciences et avenir : une batterie qui carbure aux pommes.

Si à terme le sodium pourrait bien remplacer le lithium dans la fabrication des batteries pour nos appareils mobiles, des scientifiques planchent déjà sur d’autres solutions qui pourraient prendre en compte des éléments comme le zinc (un matériau bon marché, souple et fin mais de puissance faible), ou encore des éléments provenant de la biomasse comme le maïs (pas d’empreinte carbone). D’autres études se tournent vers la nature dans une volonté d’imiter les phénomènes naturels : feuilles, chute d’eau, … mais les coûts sont encore trop élevés pour que cela devienne réalité dans l’immédiat comme le souligne cet article paru sur le site d’EDF pulse-innovation.

Pour aller plus loin, un ouvrage technique sur les générateurs électrochimiques :
MAYE, Pierre. Générateurs électrochimiques : piles, accumulateurs et piles à combustibles. Paris : Dunod, 2010.
Principale source consultée : Le journal du CNRS, batterie sodium-ion : une révolution en marche. [réf. du 28/04/2016]