Ces appareils pourraient emballer trois fois plus d’énergie par livre que les meilleures batteries EV d’aujourd’hui, offrant une option légère pour alimenter les camions, les avions ou les navires.
Les batteries approchent de leurs limites en termes de puissance qu’ils peuvent stocker pour un poids donné. C’est un sérieux obstacle pour l’innovation énergétique et la recherche de nouvelles façons d’alimenter les avions, les trains et les navires. Maintenant, les chercheurs du MIT et ailleurs ont trouvé une solution qui pourrait aider à électrifier ces systèmes de transport.
Au lieu d’une batterie, le nouveau concept est une sorte de pile à combustible – qui est similaire à une batterie mais peut être rapidement ravitaillé plutôt que rechargé. Dans ce cas, le carburant est du sodium liquide, une marchandise peu coûteuse et largement disponible. L’autre côté de la cellule est juste de l’air ordinaire, qui sert de source d’atomes d’oxygène. Entre les deux, une couche de matériau en céramique solide sert d’électrolyte, permettant aux ions sodium de passer librement, et une électrode poreuse orientée vers l’air aide le sodium à réagir chimiquement avec l’oxygène et à produire de l’électricité.
Dans une série d’expériences avec un prototype de dispositif, les chercheurs ont démontré que cette cellule pouvait transporter plus de trois fois plus d’énergie par unité de poids que les batteries lithium-ion utilisées dans pratiquement tous les véhicules électriques. Leurs résultats sont publiés aujourd’hui dans la revue Jouledans un journal des doctorants du MIT, Karen Sugano, Sunil Mair et Saahir Ganti-Agrawal; professeur de science des matériaux et d’ingénierie pourtant Chiang; et cinq autres.
«Nous nous attendons à ce que les gens pensent que c’est une idée totalement folle», explique Chiang, qui est le professeur de céramique de Kyocera. « S’ils ne l’ont pas fait, je serais un peu déçu parce que si les gens ne pensent pas que quelque chose est totalement fou au début, ce ne sera probablement pas ce révolutionnaire. »
Et cette technologie semble avoir le potentiel d’être assez révolutionnaire, suggère-t-il. En particulier, pour l’aviation, où le poids est particulièrement crucial, une telle amélioration de la densité énergétique pourrait être la percée qui rend finalement la vol à alimentation électrique pratique à grande échelle.
« Le seuil dont vous avez vraiment besoin d’aviation électrique réaliste est d’environ 1 000 heures par kilogramme », explique Chiang. Les batteries au lithium-ion du véhicule électrique d’aujourd’hui s’élèvent à environ 300 heures par kilogramme – loin de ce qui est nécessaire. Même à 1 000 wattheures par kilogramme, dit-il, cela ne serait pas suffisant pour permettre des vols transcontinentaux ou transatlantiques.
Cela est toujours hors de portée de toute chimie de batterie connue, mais Chiang dit que passer à 1 000 watts par kilogramme serait une technologie habilitante pour l’aviation électrique régionale, ce qui représente environ 80% des vols intérieurs et 30% des émissions de l’aviation.
La technologie pourrait également être un catalyseur pour d’autres secteurs, y compris le transport marin et ferroviaire. «Ils ont tous besoin d’une densité d’énergie très élevée, et ils nécessitent tous un faible coût», dit-il. «Et c’est ce qui nous a attirés dans le sodium.»
De nombreuses recherches ont été consacrées au développement de batteries lithium-air ou sodium-air au cours des trois dernières décennies, mais il a été difficile de les rendre pleinement rechargeables. «Les gens sont conscients de la densité énergétique que vous pourriez obtenir avec les batteries métal-aériennes depuis très longtemps, et cela a été extrêmement attrayant, mais cela n’a jamais été réalisé dans la pratique», explique Chiang.
En utilisant le même concept électrochimique de base, ce qui en fait une pile à combustible au lieu d’une batterie, les chercheurs ont pu obtenir les avantages de la densité élevée de l’énergie sous forme pratique. Contrairement à une batterie, dont les matériaux sont assemblés une fois et scellés dans un récipient, avec une pile à combustible, les matériaux de transport d’énergie entrent et sortent.
L’équipe a produit deux versions différentes d’un prototype de laboratoire du système. Dans une, appelée cellule H, deux tubes en verre vertical sont connectés par un tube à travers le milieu, qui contient un matériau d’électrolyte en céramique solide et une électrode d’air poreuse. Le métal de sodium liquide remplit le tube d’un côté et l’air passe à travers l’autre, fournissant l’oxygène pour la réaction électrochimique au centre, ce qui finit par consommation progressive du carburant de sodium. L’autre prototype utilise une conception horizontale, avec un plateau de matériau électrolytique contenant le carburant de sodium liquide. L’électrode d’air poreuse, qui facilite la réaction, est fixée au bas du plateau.
Des tests utilisant un flux d’air avec un niveau d’humidité soigneusement contrôlé ont produit un niveau de près de 1 700 watthers par kilogramme au niveau d’une «pile» individuelle, qui se traduirait par plus de 1 000 watthers au niveau complet du système, dit Chiang.
Les chercheurs envisagent que pour utiliser ce système dans un avion, des packs de carburant contenant des piles de cellules, comme des racks de plateaux alimentaires dans une cafétéria, seraient insérés dans les piles à combustible; Le sodium métal à l’intérieur de ces packs se transforme chimiquement car il fournit la puissance. Un flux de ses sous-produits chimiques est dégagé, et dans le cas des avions, cela serait émis à l’arrière, un peu comme l’échappement d’un moteur à réaction.
Mais il y a une très grande différence: il n’y aurait pas d’émissions de dioxyde de carbone. Au lieu de cela, les émissions, constituées d’oxyde de sodium, absorbaient en fait du dioxyde de carbone de l’atmosphère. Ce composé se combinerait rapidement avec l’humidité dans l’air pour fabriquer de l’hydroxyde de sodium – un matériau couramment utilisé comme nettoyeur de drain – qui se combine facilement avec du dioxyde de carbone pour former un matériau solide, le carbonate de sodium, qui à son tour forme du bicarbonate de sodium, autrement appelé bicarbonate de soude.
« Il y a cette cascade naturelle de réactions qui se produit lorsque vous commencez avec du sodium en métal », explique Chiang. «Tout est spontané. Nous n’avons rien à faire pour y arriver, nous devons simplement piloter l’avion.»
Comme avantage supplémentaire, si le produit final, le bicarbonate de sodium, se retrouve dans l’océan, il pourrait aider à désacider l’eau, contre un autre des effets dommageables des gaz à effet de serre.
L’utilisation d’hydroxyde de sodium pour capturer du dioxyde de carbone a été proposée comme un moyen d’atténuer les émissions de carbone, mais en soi, ce n’est pas une solution économique car le composé est trop cher. « Mais ici, c’est un sous-produit », explique Chiang, donc c’est essentiellement gratuit, produisant des avantages environnementaux sans frais.
Surtout, la nouvelle pile à combustible est intrinsèquement plus sûre que de nombreuses autres batteries, dit-il. Le sodium est extrêmement réactif et doit être bien protégé. Comme pour les batteries au lithium, le sodium peut s’enflammer spontanément s’il est exposé à l’humidité. « Chaque fois que vous avez une batterie de densité d’énergie très élevée, la sécurité est toujours une préoccupation, car s’il y a une rupture de la membrane qui sépare les deux réactifs, vous pouvez avoir une réaction en fuite », explique Chiang. Mais dans cette pile à combustible, un côté est juste de l’air, «ce qui est dilué et limité. Vous n’avez donc pas deux réactifs concentrés les uns à côté de l’autre. Si vous faites pression pour une densité d’énergie vraiment très élevée, vous préférez avoir une pile à combustible qu’une batterie pour des raisons de sécurité.»
Bien que l’appareil n’existe jusqu’à présent que comme un petit prototype monocellulaire, Chiang dit que le système devrait être assez simple pour passer à des tailles pratiques pour la commercialisation. Les membres de l’équipe de recherche ont déjà formé une entreprise, Propel Aero, pour développer la technologie. La société est actuellement hébergée dans l’incubateur de startup du MIT, le moteur.
Produire suffisamment de sodium en métal pour permettre une mise en œuvre globale à grande échelle généralisée de cette technologie devrait être pratique, car le matériau a été produit à grande échelle auparavant. Lorsque l’essence au plomb était la norme, avant qu’elle ne soit supprimée, du sodium métallique a été utilisé pour faire de la plomb du tétraéthyle utilisé comme additif, et il a été produit aux États-Unis à une capacité de 200 000 tonnes par an. «Cela nous rappelle que le sodium métallique a été produit une fois à grande échelle et manipulé et distribué en toute sécurité aux États-Unis», explique Chiang.
De plus, le sodium provient principalement du chlorure de sodium ou du sel, il est donc abondant, largement distribué dans le monde, et facilement extrait, contrairement au lithium et à d’autres matériaux utilisés dans les batteries EV d’aujourd’hui.
Le système qu’ils envisagent utiliseraient une cartouche rechargeable, qui serait remplie de sodium liquide et scellé. Lorsqu’il est épuisé, il serait retourné dans une station de remplissage et chargé de sodium frais. Le sodium fond à 98 degrés Celsius, juste en dessous du point d’ébullition de l’eau, il est donc facile de chauffer au point de fusion pour faire le plein des cartouches.
Initialement, le plan est de produire une pile à combustible de taille en brique qui peut fournir environ 1 000 wattheures d’énergie, suffisamment pour alimenter un grand drone, afin de prouver le concept sous une forme pratique qui pourrait être utilisé pour l’agriculture, par exemple. L’équipe espère avoir une telle démonstration prête au cours de la prochaine année.
Sugano, qui a mené une grande partie du travail expérimental dans le cadre de sa thèse de doctorat et fonctionnera désormais au startup, dit qu’un aperçu clé était l’importance de l’humidité dans le processus. En testant l’appareil avec de l’oxygène pur, puis à l’air, elle a constaté que la quantité d’humidité dans l’air était cruciale pour rendre la réaction électrochimique efficace. L’air humide a abouti au sodium produisant ses produits de décharge en liquide plutôt qu’à une forme solide, ce qui facilite la suppression de ceux-ci par le flux d’air à travers le système. «La clé était que nous pouvons former ce produit de décharge liquide et le retirer facilement, par opposition à la décharge solide qui se formerait dans des conditions sèches», dit-elle.
Ganti-Agrawal note que l’équipe a tiré de divers sous-domaines d’ingénierie. Par exemple, il y a eu beaucoup de recherches sur le sodium à haute température, mais aucune avec un système avec une humidité contrôlée. «Nous nous retirons de la recherche sur les piles à combustible en termes de conception de notre électrode, nous tirons de la recherche de batteries plus anciennes à haute température ainsi que des recherches de batteries naissantes à l’air sodium, et en quelque sorte de la bouger ensemble», ce qui a conduit à la «grande bosse en performance» que l’équipe a réalisée, dit-il.
L’équipe de recherche comprenait également Alden Friesen, une stagiaire d’été du MIT qui fréquente le Desert Mountain High School à Scottsdale, Arizona; Kailash Raman et William Woodford de Forment Energy à Somerville, Massachusetts; Shashank Sripad et Battery Aero en Californie, et Venkatasubramanian Viswanathan de l’Université du Michigan. Le travail a été soutenu par l’ARPA-E, Breakthrough Energy Ventures et la National Science Foundation, et a utilisé des installations de MIT.NANO.
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Écrit par David L. Chandler, MIT News
Abby Abazorius
Institut de technologie du Massachusetts
abbya@mit.edu
Bureau: 617-253-2709
