La conception à base de calcium et d’antimoine fondus promet un faible coût et une longue durée de vie
Le coût est une variable cruciale pour toute batterie qui pourrait servir d’option viable pour le stockage des énergies renouvelables sur le réseau. Une analyse réalisée par des chercheurs du MIT a montré que le stockage de l’énergie ne devrait coûter que 20 dollars américains par kilowattheure pour que le réseau soit entièrement alimenté par l’énergie éolienne et solaire.
Selon un rapport du Pacific Northwest National Laboratory, un système de batteries lithium-ion de 100 mégawatts avec stockage de 10 heures coûte aujourd’hui environ 405 $/kWh. Toutefois, une batterie à métal liquide, dont le déploiement dans le monde réel est prévu pour 2024, pourrait réduire considérablement les coûts de stockage de l’énergie.
Donald Sadoway, chimiste spécialiste des matériaux et professeur émérite au MIT, a toujours gardé à l’esprit la question de l’accessibilité financière dans ses nombreuses inventions de batteries au fil des ans, y compris une récente batterie aluminium-soufre.
Le faible coût a également motivé la batterie à métal liquide, contenant des électrodes en métal fondu et un électrolyte en sel fondu, qu’il a inventée et qu’il a ensuite commencé à commercialiser en cofondant la startup Ambri en 2010.
La batterie de réseau d’Ambri coûte entre 180 $/kWh et 250 $/kWh en fonction de la taille et de la durée, indique l’entreprise. Mais son coût devrait être d’environ 21 dollars/kWh d’ici 2030, selon un article que Donald Sadoway et ses collègues ont publié en octobre 2021 dans la revue Renewable and Sustainable Energy Reviews.
L’entreprise de Marlborough, dans le Massachusetts aux Etats-Unis, s’apprête à réaliser sa première installation dans un service public. Ambri et la société de services publics Xcel Energy commenceront l’installation d’un système de 300 kWh à Aurora, au Colorado, au début de l’année 2024 ; le système devrait être pleinement opérationnel à la fin de cette même année.
Le coût inférieur de la batterie à métaux liquides s’explique par la simplicité des matériaux, de la chimie et de la conception du système par rapport à la batterie lithium-ion, ainsi que par sa durée de vie plus longue, explique Donald Sadoway.
« Le concept d’une batterie à métaux liquides la rend unique pour le stockage stationnaire. Elle n’est pas inflammable, contrairement au lithium. Et elle résiste à l’affaiblissement de la capacité. Nous disposons de données sur des milliers de cycles de charge, ce qui correspond à des années de fonctionnement. Ce produit devrait durer 20 ans et conserver 95 % de sa capacité. Je vous invite à trouver quelqu’un qui possède une batterie lithium-ion opérationnelle vieille de 20 ans ».
Les batteries conventionnelles sont généralement constituées de deux électrodes solides – du graphite et un oxyde métallique de lithium dans le cas des batteries lithium-ion – et d’un électrolyte liquide, ainsi que de séparateurs, de membranes et d’autres éléments qui augmentent les coûts.
Au cours des cycles de charge et de décharge, lorsque les ions de l’électrolyte entrent et sortent des électrodes, les matériaux solides se dilatent et se contractent. Les changements de volume répétés brisent les particules au fil du temps, entraînant une diminution de la capacité de la batterie.
« La batterie à métaux liquides d’Ambri se compose de trois couches liquides empilées en fonction de leur densité. La plus dense, une cathode d’antimoine fondu, se trouve en bas, l’anode en alliage de calcium léger se trouve en haut et l’électrolyte salin de chlorure de calcium de densité intermédiaire se trouve au milieu. « Pensez à l’huile de salade et au vinaigre », explique Donald Sadoway, « sauf qu’ici il y a trois couches et qu’elles se séparent parce qu’elles ne sont pas miscibles ».
« La conception à base de métal liquide nécessite moins de composants et la chimie repose sur l’alliage, de sorte qu’il n’y a pas de rupture entre les matériaux solides, souligne Donald Sadoway. Pendant la décharge, l’anode de calcium libère des ions calcium qui se déplacent dans l’électrolyte jusqu’à la cathode, où ils forment un alliage de calcium et d’antimoine. Le processus s’inverse pendant la charge. « Il n’y a pas de membrane, pas de séparateur », précise Donald Sadoway. « Tous ces éléments de simplicité vont de pair avec la résilience. »
L’un des inconvénients de la nouvelle chimie de la batterie a toutefois été le long chemin à parcourir avant son déploiement. « Lorsque nous avons entamé le processus de commercialisation, nous ne pouvions compter sur personne », explique Donald Sadoway. « Tous les progrès fantastiques réalisés dans la fabrication des batteries lithium-ion sont pratiquement inapplicables dans ce cas. La chimie est différente, le facteur de forme est différent. Nous avons donc dû tout inventer, y compris les machines de fabrication ».
L’entreprise a reçu une importante commande de batteries auprès de Microsoft, qui souhaite abandonner les générateurs diesel comme sources d’énergie de secours dans ses centres de données. Microsoft a testé la batterie d’Ambri l’année dernière.
« Cette batterie devrait durer 20 ans et conserver 95 % de sa capacité. Je vous invite à trouver quelqu’un qui possède une batterie lithium-ion opérationnelle vieille de 20 ans.
-DONALD SADOWAY, COFONDATEUR D’AMBRI
À mesure qu’Ambri monte en puissance, elle devra s’assurer d’un approvisionnement régulier en antimoine. Selon Investor Intel, près de 90 % de la production mondiale d’antimoine provient aujourd’hui de la Chine, de la Russie et du Tadjikistan. En août 2021, Ambri a signé un accord de fourniture avec Perpetua Resources, l’un des rares producteurs américains d’antimoine.
Molten Metals Corp. est une société canadienne d’exploration minière qui cherche également à produire de l’antimoine en Amérique du Nord. La société possède des droits miniers sur une mine d’antimoine en Nouvelle-Écosse qui a été abandonnée depuis les années 1960. Brooklyn Reed, représentant de Molten Metals, indique que la société travaille avec les propriétaires fonciers existants pour relancer les opérations minières.
« Il y a de l’antimoine en Amérique du Nord ; on n’en trouve pas seulement en Chine », affirme M. Sadoway. « Il ne faut pas continuer à chercher d’autres ressources si l’on a répondu aux besoins du marché. Nous pouvons répondre aux besoins en antimoine pour l’instant, et l’offre pourrait suivre le rythme de la croissance. Au fur et à mesure que ces besoins augmenteront, nous pourrons nous tourner vers des sources plus importantes. Nous ne demandons pas plus que ce qui est disponible dans l’écorce terrestre ».
https://spectrum.ieee.org/liquid-metal-battery
https://dmse.mit.edu/faculty/donald-r-sadoway/
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032121006729
