Une nouvelle batterie au sodium et en aluminium vise à intégrer les énergies renouvelables pour la résilience du réseau

Selon une étude qui vient d’être publiée dans Matériau de stockage d’énergies. Une équipe de recherche, dirigée par le Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l’Énergie, a démontré que la nouvelle conception d’une batterie de stockage d’énergie de réseau construite avec des métaux à faible coût, le sodium et l’aluminium, ouvre la voie à un système de stockage d’énergie stationnaire plus sûr et plus évolutif.

« Nous avons montré que cette nouvelle conception de batterie au sel fondu a le potentiel de se charger et de se décharger beaucoup plus rapidement que les autres batteries au sodium haute température conventionnelles, de fonctionner à une température plus basse et de maintenir une excellente capacité de stockage d’énergie », a déclaré Guosheng Li, un scientifique des matériaux. au PNNL et chercheur principal de la recherche. « Nous obtenons des performances similaires avec cette nouvelle chimie à base de sodium à plus de 100 °C [212 °F] des températures plus basses que les technologies de batteries au sodium haute température disponibles dans le commerce, tout en utilisant un matériau plus abondant sur Terre.

Plus de stockage d’énergie livré

Imre Gyuk, directeur du Bureau de l’électricité du DOE, Programme de stockage de l’énergie, qui a soutenu cette recherche, a noté : « Cette technologie de batterie, qui est construite avec des matériaux disponibles à faible coût sur le marché intérieur, nous rapproche un peu plus de la réalisation des objectifs d’énergie propre de notre pays.

La nouvelle batterie au sel fondu à base de sodium utilise deux réactions distinctes. L’équipe a précédemment signalé une réaction de sel fondu neutre. La nouvelle découverte montre que ce sel fondu neutre peut subir une réaction supplémentaire en un sel fondu acide. Fondamentalement, ce deuxième mécanisme de réaction acide augmente la capacité de la batterie. Plus précisément, après 345 cycles de charge/décharge à courant élevé, ce mécanisme de réaction acide a conservé 82,8 % de la capacité de charge maximale.

L’énergie qu’une batterie peut fournir dans le processus de décharge est appelée sa densité d’énergie spécifique, qui est exprimée en « wattheure par kilogramme » (Wh/kg). Bien que la batterie en soit à un stade précoce ou à des tests de « pile bouton », les chercheurs pensent qu’elle pourrait entraîner une densité d’énergie pratique allant jusqu’à 100 Wh/kg. En comparaison, la densité d’énergie des batteries lithium-ion utilisées dans l’électronique commerciale et les véhicules électriques est d’environ 170 à 250 Wh/kg. Cependant, la nouvelle conception de la batterie sodium-aluminium a l’avantage d’être peu coûteuse et facile à produire aux États-Unis à partir de matériaux beaucoup plus abondants.

La nouvelle conception de la batterie sodium-aluminium permet uniquement au sodium (représenté par des boules jaunes) de se déplacer à travers l’électrolyte à l’état solide pour charger la batterie. Être construit avec des matériaux peu coûteux et abondants sur Terre, tels que des sels de sodium et de la laine d’aluminium, un produit de rebut de la fabrication de l’aluminium, est un avantage. (Diagramme de Sara Levine | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique)

« Avec l’optimisation, nous nous attendons à ce que la densité d’énergie spécifique et le cycle de vie soient encore plus élevés et plus longs », a ajouté Li.

La batterie au sodium fait ses preuves

En effet, les scientifiques du PNNL ont collaboré avec des collègues du pionnier américain des énergies renouvelables Nexceris pour assembler et tester la batterie. Nexceris, par le biais de sa nouvelle entreprise Adena Power, a fourni son électrolyte à base de sodium à l’état solide breveté à PNNL pour tester les performances de la batterie. Ce composant crucial de la batterie permet aux ions sodium de se déplacer du côté négatif (anode) au côté positif (cathode) de la batterie pendant sa charge.

« Notre objectif principal pour cette technologie est de permettre un transfert quotidien et à faible coût de l’énergie solaire vers le réseau électrique sur une période de 10 à 24 heures », a déclaré Vince Sprenkle, un expert en technologie de batterie PNNL avec plus de 30 conceptions brevetées pour les systèmes de stockage d’énergie et la technologie associée. « C’est un endroit idéal où nous pouvons commencer à penser à intégrer des niveaux plus élevés d’énergies renouvelables dans le réseau électrique pour fournir une véritable résilience du réseau à partir de ressources renouvelables telles que l’énergie éolienne et solaire. »

Sprenkle faisait partie de l’équipe qui a développé la nouvelle conception flexible de cette batterie, qui a également fait passer la batterie d’une forme tubulaire traditionnelle à une forme plate et évolutive qui peut plus facilement être empilée et étendue à mesure que la technologie évolue des batteries de la taille d’une pièce à une plus grande taille de démonstration à l’échelle de la grille. Plus important encore, cette conception de cellule plate permet d’augmenter la capacité de la cellule en utilisant simplement une cathode plus épaisse, que les chercheurs ont exploitée dans ce travail pour démontrer une cellule à triple capacité avec une décharge soutenue de 28,2 heures dans des conditions de laboratoire.

La plupart des technologies de batterie actuelles, y compris les batteries lithium-ion, sont bien adaptées au stockage d’énergie à court terme. Pour répondre à la demande de plus de 10 heures de stockage d’énergie, il faudra développer de nouveaux concepts de batteries à faible coût, sûrs et de longue durée au-delà des technologies de batterie de pointe actuelles. Cette recherche fournit une démonstration prometteuse à l’échelle du laboratoire vers cet objectif.

Variation sur un thème de résilience de grille

La capacité de stocker l’énergie générée par les énergies renouvelables et de la restituer à la demande au réseau électrique a entraîné des progrès rapides dans la technologie des batteries, avec de nombreuses nouvelles conceptions en concurrence pour attirer l’attention et les clients. Chaque nouvelle variation doit satisfaire les exigences de sa propre niche d’utilisation. Certaines batteries, telles que celles ayant la conception de batterie gel-dégel de PNNL, sont capables de stocker l’énergie générée de façon saisonnière pendant des mois à la fois.

Par rapport à une batterie saisonnière, cette nouvelle conception est particulièrement adaptée au stockage d’énergie du réseau à court et moyen terme sur 12 à 24 heures. C’est une variante de ce qu’on appelle une batterie aux halogénures sodium-métal. Une conception similaire utilisant une cathode de nickel dans le cadre du système s’est avérée efficace à l’échelle commerciale et est déjà disponible dans le commerce.

« Nous avons éliminé le besoin de nickel, un élément relativement rare et coûteux, sans sacrifier les performances de la batterie », a déclaré Li. « Un autre avantage de l’utilisation de l’aluminium par rapport au nickel est que la cathode en aluminium se charge plus rapidement, ce qui est crucial pour permettre la durée de décharge plus longue démontrée dans ce travail. »

Cette étape franchie, l’équipe se concentre sur d’autres améliorations pour augmenter la durée de décharge, ce qui pourrait grandement améliorer la flexibilité du réseau pour une plus grande intégration des sources d’énergie renouvelables.

Et parce qu’il fonctionne à une température plus basse, il peut être fabriqué avec des matériaux de batterie peu coûteux, au lieu de nécessiter des composants et des processus plus complexes et coûteux comme dans les batteries au sodium à haute température conventionnelles, a déclaré David Reed, un expert en batterie du PNNL et co-auteur de l’étude. .

Les équipes de recherche du Pacific Northwest National Laboratory étudient comment intégrer une installation de stockage d’énergie solaire et de batterie à l’échelle des services publics dans le réseau d’une installation située près de son siège social à Richland, dans l’État de Washington. Ici, ils surveillent et analysent les données pour évaluer les avantages financiers du stockage de l’énergie renouvelable et de l’intégration des énergies renouvelables intermittentes sur le réseau. (Photo d’Andrea Starr | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique)

Plus de stockage d’énergie sur le réseau à moindre coût

En 2023, l’état de l’art pour le stockage d’énergie du réseau utilisant des batteries lithium-ion est d’environ quatre heures de capacité de stockage d’énergie, a déclaré Sprenkle. « Ce nouveau système pourrait augmenter considérablement la quantité de capacité d’énergie stockée si nous pouvons atteindre les objectifs de coût prévus pour les matériaux et la fabrication », a-t-il ajouté.

Dans le cadre de l’étude, les chercheurs ont estimé qu’une conception de batterie sodium-aluminium basée sur des matières premières peu coûteuses pourrait coûter seulement 7,02 $ par kWh pour les matières actives. Grâce à l’optimisation et à l’augmentation de la densité énergétique pratique, ils prévoient que ce coût pourrait être encore réduit. Cette technologie de stockage prometteuse à faible coût et à l’échelle du réseau pourrait permettre aux énergies renouvelables intermittentes telles que l’énergie éolienne et solaire de contribuer de manière plus dynamique au réseau électrique du pays.

Neil Kidner, co-auteur de l’étude et président d’Adena Power, un fabricant de batteries à l’état solide au sodium, collabore avec PNNL pour faire progresser la technologie des batteries à base de sodium. « Cette recherche démontre que notre électrolyte de sodium fonctionne non seulement avec notre technologie brevetée, mais également avec une conception de batterie sodium-aluminium », a-t-il déclaré. « Nous sommes impatients de poursuivre notre partenariat avec l’équipe de recherche du PNNL pour faire progresser la technologie des batteries au sodium. »

La recherche a été soutenue par le Bureau de l’électricité du DOE et le Programme international de collaboration de R&D sur les technologies énergétiques de l’Institut coréen d’évaluation et de planification des technologies énergétiques. Le développement de l’électrolyte a été soutenu par un programme de recherche sur l’innovation des petites entreprises du DOE. Les mesures de résonance magnétique nucléaire ont été effectuées à l’EMSL, Environmental Molecular Sciences Laboratory, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE parrainée par le programme de recherche biologique et environnementale.

En savoir plus sur la recherche de modernisation du réseau du PNNL et sur le Grid Storage Launchpad, qui ouvrira en 2024.

Avec l’aimable autorisation du Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique.