Les batteries à métaux fondus (LMB) présentent une solution prometteuse pour le stockage d'énergie à grande échelle, en particulier pour les applications nécessitant une opération fiable dans des environnements extrêmes. Parmi les plus avancées, les batteries Li||Sb-Sn avec des collecteurs de courant en tungstène (W PCC) ont montré une stabilité impressionnante lors des tests de cyclage à long terme, avec des plateaux de tension constants et une faible perte de capacité après plus de 800 cycles. Néanmoins, malgré des progrès significatifs dans la technologie des batteries à haute température (HT-LMB), des recherches supplémentaires sont nécessaires pour optimiser les matériaux d'électrode, les compositions d'électrolytes et les stratégies de gestion thermique. Par exemple, les alliages ternaires Sb-Bi-Sn, comme ceux proposés par Wang et al., représentent une voie prometteuse pour améliorer les performances des batteries en abaissant le point de fusion tout en maintenant des densités d'énergie élevées.

L’optimisation des formulations d’électrolytes, comme celles des compositions LiCl-LiBr-KBr, peut également jouer un rôle clé dans la réduction des températures de fonctionnement, tout en maintenant une conductivité ionique optimale. Ces avancées permettent aux HT-LMB de se profiler comme une solution à long terme, fiable et efficace, avec un potentiel particulier pour les applications de stockage d’énergie à grande échelle, telles que les réseaux électriques alimentés par des sources d’énergie renouvelables. À mesure que la technologie progresse dans la sélection des matériaux, l’optimisation des électrolytes et les processus d’auto-guérison, les HT-LMB devraient devenir de plus en plus commercialement viables et largement utilisées pour le stockage d’énergie à grande échelle.

Un domaine particulièrement intéressant est celui des batteries à température moyenne (MT-LMB). Les électrolytes en sels fondus utilisés dans la plupart des HT-LMB ont un point de fusion très élevé, ce qui implique que ces batteries doivent fonctionner à des températures extrêmement élevées. Cependant, des chercheurs ont exploré les électrolytes solides comme une solution pour créer des électrolytes en sels fondus à bas point de fusion, tout en conservant une bonne conductivité ionique. Cette recherche a conduit à des systèmes de batteries Na-S, comme les batteries ZEBRA et Na||S, qui fonctionnent à des températures intermédiaires, sous 350°C.

Un exemple remarquable de cette évolution est la batterie Na-S développée par Lu et al., qui opère à une température d’environ 150°C, contre 300-350°C pour les batteries traditionnelles. Cette approche permet de réduire les dangers associés aux sels fondus de sodium et de soufre, tout en offrant une meilleure stabilité à long terme et en réduisant les coûts. L'utilisation d'un séparateur d’électrolyte solide β”-Al2O3 et d'un catholyte à base de tétraglyme a permis de résoudre certains problèmes de réaction latérale et de diffusion inter-électrolytes, atteignant une conductivité ionique élevée et un rendement Coulombique supérieur. Ces résultats montrent le potentiel des batteries Na-S à température intermédiaire pour le stockage d’énergie à grande échelle, tout en surmontant les limitations des systèmes Na-S classiques à haute ou basse température.

En parallèle, des batteries à base de Li, comme les MT-LMB Li-Na, ont également montré des promesses intéressantes pour le stockage à température intermédiaire. La stabilité et la capacité de ces batteries, de même que leur rendement élevé, ont été améliorées grâce à des modifications des compositions d’électrolytes et à des systèmes bilatéraux qui atténuent les problèmes de dégradation associés aux polysulfures. Par exemple, l'utilisation de liquides ioniques (Na[OTf]-Cs[TFSA]) et de matériaux comme le β”-alumina solid electrolyte (BASE) dans des batteries Na-S à température intermédiaire a permis d'augmenter la solubilité des polysulfures et d'améliorer la conductivité ionique, ce qui se traduit par une capacité initiale impressionnante de 795 mAh g−1 et une efficacité Coulombienne proche de 100% après 1000 cycles. Ces évolutions montrent que l'avenir des batteries Na-S pourrait reposer sur des technologies intermédiaires.

Un autre domaine d’innovation concerne les batteries ZEBRA, basées sur le système Na-FeCl2, qui offrent une alternative moins coûteuse et plus stable aux systèmes traditionnels Na-NiCl2. En utilisant des électrolytes solides de K-β”-Al2O3 et des anodes en alliage Na-K, il a été démontré que ces batteries pouvaient produire de l’électricité à des températures ambiantes tout en maintenant une efficacité énergétique impressionnante de plus de 92 % après 100 cycles. Cela ouvre la voie à des options de stockage d’énergie stationnaires à faible coût et à long terme, ce qui est particulièrement pertinent pour les applications industrielles et les réseaux énergétiques à grande échelle.

Le défi de la gestion thermique et de la stabilité mécanique des batteries à haute température reste un obstacle majeur, mais les solutions qui combinent des matériaux avancés comme les électrolytes solides et les électrodes optimisées offrent des perspectives intéressantes pour un avenir plus durable et moins coûteux pour le stockage d’énergie à grande échelle. Les recherches sur les batteries à métaux fondus à température moyenne permettent d’envisager une évolution vers des technologies à plus faible température, offrant un compromis idéal entre sécurité, coût et performance.

Les batteries à métaux liquides : Un avenir énergétique durable ?

Les récentes avancées en chimie des batteries et en modélisation multiphysique ont permis de surmonter plusieurs obstacles majeurs dans la création des batteries à métaux liquides (LMB). Ces batteries présentent de nombreux avantages essentiels, notamment l'absence de dendrites, la facilité de fabrication des cellules, une récupération efficace des matériaux et une dépendance aux matériaux abondants sur Terre. Les batteries HT-LMB, qui utilisent des électrolytes de sels fondus et des électrodes métalliques liquides, illustrent ces bénéfices. Toutefois, pour en améliorer l'efficacité, il est nécessaire de réduire leurs températures de fonctionnement sans compromettre la conception à trois couches liquides. Des méthodes alternatives et de nouvelles chimies de batteries permettent de répondre à cet enjeu. La poursuite des progrès en modélisation multiphysique est cruciale pour accélérer le déploiement commercial des HT-LMB, car elle permettrait de perfectionner les stratégies de conception et d’exploitation à grande échelle.

Un autre défi majeur dans la création de batteries à métaux liquides à haute performance réside dans la conception des électrolytes solides avec de bons numéros de transfert et une conductivité ionique élevée. Ces batteries, qui offrent des densités énergétiques élevées, sont encore freinées par des problèmes aux interfaces entre les électrodes liquides et les électrolytes solides. La durée de vie et l'efficacité globale des batteries dépendent non seulement de la chimie des batteries, mais aussi de la disposition des cellules et des processus de test. Les processus électrochimiques et thermophysiques sont étroitement liés, et une meilleure compréhension et optimisation de ces phénomènes ne peuvent être obtenues que grâce à des avancées futures en modélisation multiphysique.

Pour optimiser les conceptions des électrodes et les compositions des électrolytes, des modèles computationnels avancés sont nécessaires. Ces modèles doivent prendre en compte la distribution du potentiel électrique, les flux électro-vortex, la convection thermique et le transfert de masse. Des améliorations dans la modélisation permettront de mieux comprendre et d'optimiser l'efficacité de charge-décharge, tout en réduisant l'impact des phénomènes d'auto-décharge. L'exploration de nouvelles chimies offrant une meilleure stabilité électrochimique, une densité énergétique accrue et des températures de fonctionnement plus basses constitue une direction prometteuse pour améliorer les performances des batteries et leur praticité.

Le développement des LMB à température ambiante (RT-LMB) et des batteries à température moyenne (MT-LMB), utilisant des alliages fusibles tels que les systèmes à base de Ga ou Na-K, marque une étape importante dans la recherche de solutions adaptées au stockage à grande échelle. La mise au point de techniques d'ingénierie des alliages est cruciale pour abaisser les points de fusion, améliorer l'humidité et garantir la compatibilité des matériaux avec les électrolytes solides et liquides. D'autres avancées dans la performance des batteries, leur longévité et leur sécurité pourront être réalisées grâce à l'exploration de nouveaux électrodes liquides et de compositions innovantes de sels fondus.

Grâce à leur longue durée de cycle, leur coût réduit et leur caractère écologique, les LMB ont le potentiel de transformer le stockage d'énergie à l'échelle du réseau. Contrairement aux batteries LiB, elles n’utilisent pas de ressources rares et coûteuses, mais se basent sur des matériaux abondants et recyclables. L'utilisation de matériaux optimisés pour les électrodes et des électrolytes de sels fondus à faible coût pourrait permettre une production en masse des LMB à un prix raisonnable, ouvrant ainsi la voie à une intégration à grande échelle des énergies renouvelables. Les LMB sont particulièrement intéressantes pour les applications de stockage d'énergie à long terme en raison de leurs caractéristiques d'auto-réparation et de résistance au développement de dendrites, ce qui améliore leur sécurité et leur fiabilité.

Les dix dernières années ont été marquées par des avancées remarquables dans la création de différents types de LMB, y compris les HT-LMB, qui augmentent la densité énergétique grâce à l'optimisation des électrolytes de sels fondus et à des stratégies d'alliage, les MT-LMB, qui abaissent les températures de fonctionnement en intégrant des électrolytes solides et de nouveaux matériaux d'électrodes, et les RT-LMB, qui permettent le fonctionnement à température ambiante grâce à des systèmes métalliques liquides basés sur Na-K et Ga. Ces réalisations soulignent le potentiel des LMB pour répondre à la demande croissante de systèmes de stockage d'énergie durables, abordables et efficaces. Pour commercialiser les LMB, il sera nécessaire de continuer à développer des choix de matériaux, à améliorer l'ingénierie des interfaces et à perfectionner les techniques de fabrication à grande échelle. Il est également crucial de résoudre des problèmes comme la stabilité des électrolytes, la résistance à la corrosion et l'optimisation des coûts.

Les LMB pourraient également ouvrir de nouvelles possibilités pour la mobilité électrique, l'intégration des réseaux intelligents et le stockage d'énergie stationnaire grâce à des avancées dans les conducteurs à ions rapides et les systèmes d'électrolytes hybrides. Au fur et à mesure que les recherches progressent, les LMB ont le potentiel de jouer un rôle clé dans le passage à un système énergétique à la fois plus durable et plus robuste.

Pourquoi les batteries à métal liquide à base de sodium représentent-elles l'avenir du stockage d'énergie à grande échelle ?

Les ressources solaires et éoliennes, bien que abondantes et durables, ne produisent pas toujours de l'énergie en parfaite adéquation avec les besoins de consommation. C’est ici qu’intervient le stockage d’énergie à grande échelle, un facteur clé pour garantir que l’électricité générée à partir de ces sources renouvelables soit disponible exactement au moment où elle est nécessaire, renforçant ainsi la fiabilité et la résilience du réseau électrique. À titre d'exemple, l'Institut de science et de technologie Vidyasirimedhi (VISTEC) dans la vallée de Wang Chan, Rayong, en Thaïlande, a mis en place un système de stockage d’énergie à grande échelle pour répondre aux besoins croissants d’une énergie fiable et durable dans les environnements urbains modernes. Ce système joue un rôle central dans l’assurance de la résilience et de l’efficacité des infrastructures énergétiques, contribuant à la réduction de l’empreinte carbone et à l’amélioration de la sécurité énergétique. En utilisant des technologies avancées, il soutient l’intégration des sources d’énergie renouvelables telles que le solaire et l’éolien, stabilisant ainsi les réseaux électriques et réduisant la dépendance aux combustibles fossiles.

Avec l’expansion continue des villes, ces innovations sont essentielles pour créer des écosystèmes urbains durables qui favorisent la santé environnementale à long terme et l’indépendance énergétique, en accord avec les objectifs mondiaux pour un avenir plus vert. Les batteries à métal liquide (LMB), et en particulier celles à base de sodium, représentent une avancée majeure dans le domaine du stockage de l’énergie. Ces batteries se distinguent par leur conception unique, composée de trois couches liquides : deux électrodes métalliques séparées par un électrolyte en sel fondu. Les différentes densités et l’immiscibilité de ces matériaux permettent de former des couches stables qui fonctionnent à des températures élevées. Cette structure particulière favorise l’écoulement efficace des ions dans la batterie, facilitant ainsi le stockage et la libération d’énergie.

L’attractivité des LMB réside dans leur capacité à stocker de grandes quantités d’énergie et à libérer cette énergie rapidement, ce qui est essentiel pour stabiliser les sources d’énergie renouvelable sur le réseau électrique. Leur état liquide permet une conductivité ionique élevée et permet des cycles de charge et décharge rapides. De plus, la nature fluide des électrodes peut réduire la dégradation au fil du temps, promettant une durée de vie plus longue par rapport aux batteries à électrodes solides traditionnelles. Un autre avantage majeur des LMB est leur évolutivité. La technologie peut être facilement mise à l'échelle pour répondre à des besoins de stockage d’énergie plus importants en augmentant simplement la taille des cellules de la batterie. Cette évolutivité, combinée au coût relativement faible et à l'abondance des matériaux adaptés, en particulier pour les LMB à base de sodium, en fait une option très attrayante pour des solutions de stockage d’énergie à grande échelle.

Les LMB sont aussi une solution relativement simple et efficace par rapport aux systèmes de stockage mécaniques complexes. Leur fonctionnement nécessite moins de pièces mobiles et moins d'entretien, ce qui permet de réduire les coûts opérationnels. Cependant, leur température de fonctionnement élevée, bien qu’un défi sur le plan des matériaux et de la sécurité, contribue à leur efficacité en minimisant les pertes ohmiques dans la cellule. En ce qui concerne la transition vers un paysage énergétique plus durable, les LMB offrent un chemin prometteur. Elles peuvent améliorer considérablement la fiabilité et la flexibilité des systèmes d’énergie renouvelable en offrant une solution de stockage stable et rentable.

Le sodium joue un rôle central dans les LMB en raison de ses propriétés physiques et chimiques uniques, parfaitement adaptées aux applications de stockage d’énergie. Son abondance et son faible coût en font un matériau attractif pour les systèmes de batteries à grande échelle. Par rapport à d’autres matériaux comme le lithium, le sodium offre des avantages indéniables. L'une de ses caractéristiques les plus intéressantes est sa conductivité ionique élevée, qui permet des processus de charge et de décharge efficaces dans les LMB, un facteur crucial pour maintenir une puissance élevée et des temps de réponse rapides nécessaires au stockage d’énergie à grande échelle. De plus, le point de fusion relativement bas du sodium (97,8 °C), comparé à d'autres métaux utilisés dans les LMB, réduit l'intervalle de température opérationnelle des batteries, ce qui permet de minimiser les pertes d’énergie et d'améliorer l'efficacité globale.

Le sodium présente également un avantage en termes de durabilité et d'impact environnemental. En tant que ressource plus facilement disponible, les batteries à base de sodium offrent une alternative évolutive et potentiellement moins perturbatrice sur le plan écologique par rapport aux matériaux rares ou toxiques utilisés dans d’autres types de batteries. L'utilisation du sodium peut également contribuer à la diversification des solutions de stockage d'énergie, réduisant ainsi la dépendance à une seule ressource et renforçant la sécurité énergétique.

Ainsi, le rôle du sodium dans les LMB se décline en plusieurs avantages : économiques, opérationnels et environnementaux. Son incorporation dans les LMB souligne le potentiel d’un stockage d’énergie durable, efficace et rentable, essentiel pour soutenir l’intégration de l’énergie renouvelable dans le réseau et progresser vers un avenir énergétique plus durable. Par exemple, les batteries à métal liquide à base de sodium (Na-LMB) utilisent un électrode négatif en sodium métallique et un électrolyte à base de sels fondus ternaires multicationiques (LiCl-NaCl-KCl), ce qui réduit la solubilité du sodium, abaisse le taux d'auto-décharge et permet un fonctionnement à des températures plus basses (~450°C). L’incorporation d’un électrode positif en alliage Bi9Sb à double activité améliore l’utilisation des matériaux, permettant à la batterie de fonctionner de manière stable pendant plus de 700 cycles avec une efficacité de Coulomb de 97 % et une utilisation des matériaux actifs de 80 %. Les Na-LMB se distinguent par leur rentabilité, avec un coût de stockage nivelé (LCOS) inférieur à 0,029 $/kWh, ce qui en fait une option hautement compétitive pour le stockage d’énergie à grande échelle.

En résumé, les batteries à métal liquide à base de sodium apparaissent comme une solution de pointe pour le stockage d'énergie à grande échelle, exploitant les propriétés uniques du sodium liquide pour offrir un stockage d'énergie efficace et de grande capacité. Ce design particulier permet une conductivité ionique rapide et des taux de charge/décharge élevés, essentiels pour la gestion de l’intermittence des sources d’énergie renouvelables. La combinaison de l’abondance du sodium, de son faible coût, et de la longévité des LMB souligne leur potentiel pour transformer le stockage d’énergie et garantir un réseau électrique fiable et durable.

Quelles sont les batteries à métal liquide et pourquoi suscitent-elles de l'intérêt dans les technologies de stockage d'énergie ?

Les technologies de stockage d'énergie (TSE) à grande échelle jouent un rôle crucial pour surmonter l'obstacle majeur de l’utilisation des énergies renouvelables, telles que l’énergie solaire et éolienne. Parmi les différents systèmes de stockage d'énergie stationnaires, les batteries se sont particulièrement distinguées en raison de leur efficacité élevée, de leur simplicité mécanique, de leur faible entretien et de leur fonctionnement sans pollution. Les batteries lithium-ion (LiB), étant les plus populaires et largement utilisées, ont conquis le marché mondial grâce à leur légèreté, leur densité énergétique et de puissance élevées, leur capacité de charge/décharge rapide, leur faible auto-décharge, leur haute tension de fonctionnement, et l'absence d'effet mémoire. Le prix Nobel de chimie 2019 a été attribué conjointement à John B. Goodenough, Stanley Whittingham et Akira Yoshino pour le développement des LiB, qui reposent sur la chimie d'intercalation des cathodes et des anodes, un fait qui témoigne de l'impact considérable de ces batteries dans la vie quotidienne. Cependant, des préoccupations de sécurité sont apparues avec les LiB, notamment dans les véhicules électriques (VE) et les applications de stockage d'énergie à grande échelle, contrairement aux appareils portables. Cela a conduit à des recherches continues visant à améliorer la sécurité, la durée de vie et d'autres performances des LiB. Parallèlement, les chercheurs explorent des systèmes de stockage d'énergie électrochimique de densité énergétique plus élevée, tels que les batteries à métal liquide (LMB), un exemple marquant de ce type de système électrochimique.

Les batteries à métal liquide, inventées par le professeur Donald R. Sadoway, ont résolu de nombreux problèmes liés aux technologies de batteries existantes, en générant un véritable engouement pour le développement de nouvelles technologies de batteries. Leur fonctionnement repose sur des principes électrochimiques innovants et leur conception présente de nombreux avantages par rapport aux systèmes traditionnels.

Les batteries à métal liquide se composent de deux électrodes métalliques liquides séparées par un électrolyte sous forme de sel fondu. Ce dernier se sépare en trois couches distinctes en fonction de l'immiscibilité et de la densité des composants, éliminant ainsi la nécessité d'une séparation physique supplémentaire entre les électrodes. En termes de matériaux d'électrode, ceux-ci sont classés en tant qu'électrodes positives ou négatives en fonction de leur potentiel de dépôt provenant de la solution aqueuse. Toutefois, étant donné que les LMB utilisent des électrolytes à base de sels fondus, ces potentiels de dépôt ne sont pas directement comparables à ceux des systèmes classiques. Les électrodes négatives, généralement des métaux A, ont un potentiel de dépôt plus négatif que -2.0 V, tandis que les électrodes positives ont un potentiel plus positif que -1.0 V. Par exemple, l'aluminium est souvent utilisé dans les LMB pour ses propriétés de conductivité et de stabilité.

L'un des principaux avantages des batteries à métal liquide est leur capacité à gérer des réactions électrochimiques à haute température, ce qui permet une meilleure densité énergétique. Cette caractéristique est d'autant plus importante dans les applications de stockage d'énergie à grande échelle, telles que celles utilisées dans les réseaux électriques ou dans les véhicules électriques, où la capacité à stocker une grande quantité d'énergie est essentielle. De plus, les LMB ne sont pas sujettes à des risques similaires à ceux des batteries lithium-ion, comme les risques d'incendie et d'explosion. Ce facteur de sécurité accru en fait une solution prometteuse pour des usages nécessitant une grande fiabilité.

Un autre aspect intéressant des LMB est leur potentiel pour des cycles de vie plus longs. Les batteries à métal liquide ne présentent pas les mêmes limitations en termes de dégradation des électrodes, ce qui les rend plus adaptées aux applications de stockage d'énergie de longue durée. De plus, la capacité de ces batteries à fonctionner à température ambiante dans certaines configurations et avec des électrolytes moins coûteux (tels que des alliages métalliques) réduit les coûts de production et améliore leur rentabilité.

La recherche sur les LMB se poursuit à un rythme rapide, avec des études visant à améliorer la performance des électrodes et à augmenter leur stabilité à long terme. Les alliages métalliques, tels que les composés à base d'antimoine ou de cadmium, sont en cours d'exploration pour optimiser la densité énergétique et la durabilité de ces batteries. L'antimoine, par exemple, est souvent utilisé dans les cathodes pour ses propriétés de conductivité et sa capacité à se stabiliser dans des environnements électrochimiques complexes. Des travaux récents ont montré que l'intégration de nouveaux matériaux dans les électrodes pourrait permettre une gestion plus efficace des réactions de dépôt et de dissolution des métaux, augmentant ainsi les performances des LMB.

Il est important de noter que bien que les batteries à métal liquide présentent de nombreux avantages, elles ne sont pas exemptes de défis. L'un des problèmes majeurs est la gestion thermique, car ces batteries fonctionnent à des températures relativement élevées. Cela nécessite des systèmes de refroidissement efficaces et bien conçus pour éviter les pertes d'efficacité et garantir la sécurité de leur fonctionnement. De plus, bien que les LMB offrent un potentiel de densité énergétique élevé, les coûts de production des électrolytes à base de sels fondus et des électrodes métalliques peuvent constituer un frein pour une adoption à grande échelle, en particulier dans les régions où les ressources sont limitées.

Les progrès réalisés dans la compréhension des propriétés des électrolytes à haute température et dans le développement de matériaux à base d'alliages métalliques devraient permettre de surmonter ces obstacles. L'optimisation de la composition des électrolytes et des électrodes ainsi que l'amélioration des technologies de gestion thermique et de contrôle de la réaction chimique seront des facteurs clés pour rendre ces batteries plus accessibles et compétitives par rapport aux technologies existantes.

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