DESCARTES - DEFI SUR LE STOCKAGE ELECTROCHIMIQUE ASSOCIE A DES ROBOTS TELECOMMANDES

Batteries à ions sodium pour des robots télécommandés – SODIUM

Développer la technologie Na-ion pour des applications robotiques et en faire une filière Française

Les batteries Li-ion ont conquis le domaine de l’électronique portable et sont prometteuses pour les applications « transport » voire « réseaux » à condition que l’on puisse palier à la pénurie de Li. Parmi ces solutions, le sodium, abondant, facilement accessible et présentant des caractéristiques proches de celles du lithium apparaît comme un sérieux candidat. C'est ce à quoi cette ANR tente de répondre via le développement d’un module de batteries Sodium-ion pour un robot télécommandé.

Batteries Na-ion à hautes performances : De la curiosité de laboratoire à de vrais prototypes.

Le stockage électrochimique de l'énergie devient essentiel pour faciliter le développement du transport électrique et l’utilisation des énergies renouvelables. Beaucoup d’espoir repose aujourd’hui sur les accumulateurs à ions lithium malgré les questions d’abondance de cet élément. Ceux intégrant le sodium comme élément échangeable, malgré une perte évidente en terme de densité d’énergie comparée au système Li-ion, laissent à priori entrevoir de multiples avantages tant d’un point de vue économique qu’écologique. Faut-il encore le démontrer ?. Pour répondre à cette question le CEA et le RS2E ont décidé, dans le cadre de l’ANR DESCARTES, de réunir leurs efforts et de mettre en place une équipe dédiée à l’assemblage de prototypes de cellules Na-ion 18650 pour alimenter un robot télécommandé; le but étant i) de valider le concept mais surtout ii) d’évaluer concrètement les avantages de cette technologie en termes de coût, de fiabilité et de performance en terme de puissance, cyclabilité, et densité d’énergie.

Pour atteindre cet objectif, une coopération efficace s'est rapidement mise en place entre les différents partenaires via une équipe de Post-docs du CEA et du RS2E. Ainsi, de nouvelles méthodes de synthèse furent développées pour raccourcir le temps de préparation de l'électrode positive; un composé polyanionique à base de Na, ainsi qu'en augmenter ses performances électrochimiques en termes de capacité. Parallèlement, les efforts ont porté sur l'optimisation et la mise en forme d'alliages de sodium mais également sur la détermination des conditions de pyrolyse optimales du sucrose afin d'obtenir des carbones capables à hautes capacités électrochimiques vis-à-vis du Na. L'effet de sels, d'additifs voire de solvants différents sur les performances des électrolytes ont également été étudiées. Fort de ces protocoles d’optimisation de matériaux d’électrodes et d’électrolytes développés en harmonie entre le RS2E et le CEA, des cellules 18650 furent assemblées par le CEA sur ses lignes pilotes.

Parmi les résultats notoires on notera
1) Obtention de carbones et d’alliages pour électrodes négatives dépassant les 320 mAh/g et 600 Ah/g, respectivement, avec des tenues en capacité supérieure à 95% après 200 cycles vis-à-vis du sodium métallique.
2) Optimisation des différentes étapes de synthèse de l’électrode positive à base de Na afin de réaliser avec succès l’up-scale pour l’assemblage de prototypes.
3) Identification d’une formulation d’électrolyte permettant de minimiser l’irréversibilité lors des premiers cycles et d’optimiser la tenue en charge de cellules Na-ion en piles boutons.
4) Assemblage d’accumulateurs Na-ion 18650 dont les tests électriques ont conduit à des performances encourageantes avec notamment une densité d’énergie de 70 Wh/kg avec une tenue en cyclage jusqu’à ce jour > à 800 cycles à C/10 avec de plus un comportement en puissance très prometteur.
La réalisation de ces premiers prototypes 18650 a montré que la technologie Na-ion est parfaitement adaptable sur les équipements existants pour le Li-ion ; ce qui constitue un atout majeur dans la perspective d’un transfert industriel. De plus, les matériaux constituant ces accumulateurs bénéficient d’une importante sécurité d’approvisionnement ce qui fait du Na-ion une technologie stratégique.
A notre connaissance, il s’agit d’une première mondiale car aucun acteur travaillant sur cette technologie ne semble avoir encore présenté d’accumulateur Na-ion dans un emballage rigide avec de telles performances.

Ce projet, qui a progressé au-delà de nos espérances, visera tout d’abord à dimensionner les batteries Na-ion pour répondre aux spécifications du robot télécommandé sélectionné mais aussi à montrer que cette technologie est nettement moins onéreuse que le Lithium-ion tout en étant aussi fiable et sûre d'utilisation. Cela nécessitera de mettre en route des études d'analyses de coût ainsi que d'effectuer des tests de sécurité. Enfin, il va bien de soi que nous souhaitons accroître les performances du Na-ion en termes de densité d'énergie ce qui se fera au niveau des matériaux d'électrodes en jouant sur la morphologie et composition.

Plusieurs articles ont été publiés dans des revues scientifiques internationales à comité de lecture dont un dans la revue Nature Communications qui couvre la fabrication des matériaux d’électrodes positives avec excès de Na+. Deux brevets couvrant cet a

Récemment, les batteries Li-ion sont apparues comme étant la meilleure technologie pour les applications dans le domaine des véhicules électriques et comme un sérieux concurrent pour les applications stationnaires. Ces marchés importants ont attiré l’attention sur les réserves potentielles en lithium. Les craintes d’un accroissement important de son prix du à des ressources limitées ont amené le développement de nouvelles chimies et l’alternative la plus intéressante est sans nul doute d’utiliser le sodium (Na) à la place du lithium. Il y a plusieurs raisons pour cela : les ressources en sodium sont illimitées et sont présentes partout dans le monde à un cout très faible ; le sodium ne forme pas d’alliage avec l’aluminium autorisant ainsi l’utilisation de ce collecteur de courant bon marché à l’électrode négative (à la place du cuivre); également le sodium présente une chimie d’intercalation très similaire à celle du lithium. Enfin, la technologie au sodium est implémentée avec succès aujourd’hui dans des technologies haute température de type Na/S pour du stockage électrochimique stationnaire avec des puissances installées de l’ordre du MW ou dans des systèmes ZEBRA Na/NiCl2 pour les véhicules électriques. Malgré cela, le développement des batteries Na-ion n’a jamais vu le jour à cause d’idées préconçues qui affirment que le Na-ion ne pourra jamais être compétitif avec la technologie Li-ion i) en terme de densité d’énergie puisque le Na est plus lourd que le lithium et possède un potentiel plus élevé et ii) en terme de puissance à cause de la taille plus importante du rayon ionique du Na+.
Durant les 4 dernières années, en réunissant les efforts au travers de la structure du RS2E, les partenaires de ce projet ont décidé de « challenger » ces certitudes. A partir des connaissances de cette technologie et les avancées des recherches au niveau de l’interface électrode/électrolyte, nous sommes convaincus que faire des batteries Na-ion est un projet réaliste à des couts 30% plus faibles par kWh que la technologie Li-ion actuelle. De plus, la première batterie Na-ion, basée sur nos formulations a d’ors et déjà prouvé la viabilité du concept montrant des performances impressionnantes en puissance mais aussi en durée de vie. Etant les pionniers dans le renouveau de l’intérêt pour ces systèmes, nous ne voulons pas répéter l’histoire du Li-ion pour lequel le concept est venu d’Europe et des Etats-Unis mais le développement et la commercialisation du japon. Pour cette raison, nous avons décidé avec le CEA d’accélérer le développement technologique et le transfert de nos prototypes de laboratoire et d’évaluer la chimie Na-ion au niveau des performances, de la sécurité mais aussi en terme de développement durable, le CEA apportant son expertise dans « l’upscalling » des matériaux et dans le prototypage. Le programme DESCARTES se présente donc comme une opportunité puisqu’il coïncide parfaitement avec nos objectifs de promouvoir la technologie Na-ion comme une nouvelle technologie émergente non seulement pour les véhicules électriques et applications stationnaires mais aussi comme une technologie capable d’atteindre les objectifs de performances (1Ah, 8 A en décharge avec des pics de 16 A) imposés par le domaine de la robotique tout en étant peu cher et respectueuse de l’environnement. Pour atteindre les performances, notre stratégie sera d’optimiser notre système Na-ion qui a déjà démontré qu’il fonctionnait à l’échelle du laboratoire. Ayant déjà structuré nos efforts dans le cadre du RS2E, une année semble réaliste pour démontrer la potentialité et l’originalité de notre approche, et deux ans supplémentaires sont aussi en adéquation avec la fabrication d’un module performant pour faire fonctionner ce robot fournit par la DGA.

Coordinateur du projet

Monsieur Jean-Marie Tarascon (Laboratoire de Reactivité et Chimie des Solides / Collège de France)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ICMAB-CSIC Institut de Ciencia de Materials de Barcelona
CNRS UMR 5253 ICG-AIME CNRS-Institut Charles Gerhardt UMR5253
CIRIMAT Centre Inter universitaire de Recherche et d'Ingénierie sur les MATeriaux
CEA/LITEN Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
ICMCB Institut de Chimie de la Matiere Condensée
LRCS/Paris Laboratoire de Reactivité et Chimie des Solides / Collège de France

Aide de l'ANR 499 790 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2014 - 36 Mois

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