La transition énergétique dans le secteur des transports est confrontée à un défi monumental, en particulier lorsqu'il s'agit de l'électrification des véhicules lourds tels que les avions, les trains et les navires. Les technologies de batteries existantes atteignent leurs limites physiques en termes de quantité d'énergie qu'elles peuvent stocker par unité de masse, ce qui représente un obstacle important à l'innovation. Cependant, une équipe scientifique du prestigieux Massachusetts Institute of Technology (MIT) où vous pouvez également trouver un hébergement et d'institutions collaboratrices a récemment présenté un concept qui pourrait fondamentalement changer ce paradigme et ouvrir la voie à l'électrification de ces systèmes de transport clés.

Approche révolutionnaire de l'alimentation : pile à combustible au sodium liquide

Au lieu d'une batterie conventionnelle, la nouvelle solution repose sur le principe d'une pile à combustible – un dispositif qui, comme une batterie, produit de l'électricité par une réaction chimique, mais avec une différence essentielle : elle peut être rapidement rechargée en combustible au lieu d'une longue charge. Le cœur de ce système innovant est le sodium métallique liquide, une matière première bon marché et largement disponible. De l'autre côté de la pile se trouve de l'air ordinaire, qui sert de source d'atomes d'oxygène. Entre eux se trouve une couche de matériau céramique solide qui fonctionne comme un électrolyte, permettant le libre passage des ions sodium, tandis qu'une électrode poreuse faisant face à l'air facilite la réaction chimique du sodium avec l'oxygène, générant ainsi un courant électrique.

Dans une série d'expériences menées avec un prototype, les chercheurs ont démontré que cette pile peut stocker plus de trois fois la quantité d'énergie par unité de poids par rapport aux batteries lithium-ion qui dominent aujourd'hui le monde des véhicules électriques. Les résultats détaillés de cette recherche ont été récemment publiés dans la revue scientifique Joule, dans un article signé par les doctorants du MIT Karen Sugano, Sunil Mair et Saahir Ganti-Agrawal, le professeur de science des matériaux et d'ingénierie Yet-Ming Chiang, et cinq autres collaborateurs.

Le professeur Chiang, qui détient le titre de Kyocera Professor of Ceramics, a commenté la perception potentielle de leur travail : « Nous nous attendons à ce que les gens pensent que c'est une idée complètement folle. Si ce n'était pas le cas, je serais un peu déçu, car si les gens ne pensent pas au départ que quelque chose est complètement fou, ce ne sera probablement pas si révolutionnaire. » C'est précisément ce potentiel révolutionnaire qui rend cette technologie extrêmement prometteuse.

Nouvel espoir pour l'aviation électrique

Particulièrement dans l'aviation, où le poids est un facteur critique, une telle amélioration de la densité énergétique pourrait représenter un tournant qui permettra enfin l'application pratique de la propulsion électrique à grande échelle. « Le seuil réellement nécessaire pour une aviation électrique réaliste est d'environ 1 000 wattheures par kilogramme (Wh/kg) », explique Chiang. Les batteries lithium-ion actuelles pour véhicules électriques atteignent un maximum d'environ 300 Wh/kg, ce qui est loin d'être suffisant. Même avec 1 000 Wh/kg, note-t-il, cela ne suffirait pas pour des vols transcontinentaux ou transatlantiques.

Bien que cet objectif soit encore hors de portée de toute chimie de batterie connue, Chiang souligne que l'atteinte de 1 000 Wh/kg représenterait une technologie permettant une aviation électrique régionale. De tels vols représentent environ 80 % des vols intérieurs et sont responsables d'environ 30 % des émissions de l'aviation. L'électrification de ce segment aurait donc un impact positif significatif sur l'environnement.

La technologie pourrait également être un moteur de progrès dans d'autres secteurs, notamment les transports maritimes et ferroviaires. « Ils exigent tous une très haute densité énergétique et de faibles coûts », déclare Chiang. « Et c'est ce qui nous a attirés vers le sodium métallique. »

De la batterie à la pile à combustible : surmonter les limitations

Au cours des trois dernières décennies, de nombreux efforts de recherche ont été investis dans le développement de batteries lithium-air ou sodium-air, mais il s'est avéré difficile de les rendre entièrement rechargeables. « Les gens sont conscients depuis longtemps de la densité énergétique qu'ils pourraient atteindre avec des batteries métal-air, et c'était extrêmement attrayant, mais cela n'a tout simplement jamais été réalisé en pratique », déclare Chiang.

En utilisant le même concept électrochimique de base mais en le transformant en une pile à combustible au lieu d'une batterie, les chercheurs ont réussi à exploiter les avantages d'une haute densité énergétique sous une forme pratique. Contrairement à une batterie, dont les matériaux sont assemblés une fois et scellés dans un boîtier, dans une pile à combustible, les matériaux porteurs d'énergie entrent et sortent du système. Cette approche dynamique permet un « ravitaillement » rapide, éliminant les longs temps de charge associés aux batteries.

L'équipe a produit deux versions différentes d'un prototype de laboratoire du système. Dans l'une, appelée pile H, deux tubes de verre verticaux sont reliés par un tube transversal contenant un électrolyte céramique solide et une électrode à air poreuse. Du sodium métallique liquide remplit le tube d'un côté, tandis que de l'air circule de l'autre, fournissant de l'oxygène pour la réaction électrochimique au centre, qui consomme progressivement le combustible sodium. Le second prototype utilise une conception horizontale, avec un creuset en matériau électrolytique contenant le combustible sodium liquide. Une électrode à air poreuse, qui facilite la réaction, est fixée au fond du creuset.

Les tests menés en utilisant un courant d'air avec un niveau d'humidité soigneusement contrôlé ont montré un niveau de plus de 1 500 wattheures par kilogramme au niveau d'une seule « pile » de cellules, ce qui, selon Chiang, se traduirait par plus de 1 000 Wh/kg au niveau du système complet.

Avantages environnementaux et capture du dioxyde de carbone

Les chercheurs envisagent que pour une utilisation dans les avions, des packs de combustible contenant des piles de cellules seraient insérés dans les piles à combustible, de manière similaire aux plateaux repas dans une cafétéria. Le sodium métallique contenu dans ces packs se transforme chimiquement en fournissant de l'énergie. Le sous-produit de cette réaction chimique est libéré, et dans le cas d'un avion, il serait émis par l'arrière, de manière similaire aux gaz d'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, absorberaient en fait le dioxyde de carbone de l'atmosphère. Ce composé se combinerait rapidement avec l'humidité de l'air pour former de l'hydroxyde de sodium – un matériau couramment utilisé comme déboucheur – qui réagit facilement avec le dioxyde de carbone pour former un matériau solide, le carbonate de sodium, qui à son tour crée du bicarbonate de sodium, plus connu sous le nom de bicarbonate de soude.

« Il y a cette cascade naturelle de réactions qui se produit lorsque vous commencez avec du sodium métallique », explique Chiang. « Tout est spontané. Nous n'avons rien à faire pour que cela se produise, nous devons juste piloter l'avion. » Comme avantage supplémentaire, si le produit final, le bicarbonate de sodium, se retrouve dans l'océan, il pourrait aider à désacidifier l'eau, contrecarrant un autre des effets nocifs des gaz à effet de serre.

L'utilisation d'hydroxyde de sodium pour capturer le dioxyde de carbone a été proposée comme moyen d'atténuer les émissions de carbone, mais ce n'est pas une solution économique en soi car le composé est trop cher. « Mais ici, c'est un sous-produit », précise Chiang, il est donc essentiellement gratuit, apportant des avantages environnementaux sans coût supplémentaire.

Sécurité et évolutivité du système

Il est important de noter que la nouvelle pile à combustible est intrinsèquement plus sûre que de nombreuses autres batteries, déclare Chiang. Le sodium métallique 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 à très haute densité énergétique, la sécurité est toujours une préoccupation, car s'il y a une rupture de la membrane séparant les deux réactifs, vous pouvez avoir une réaction incontrôlée », explique Chiang. Mais dans cette pile à combustible, un côté n'est que de l'air, « qui est dilué et limité. Vous n'avez donc pas deux réactifs concentrés juste à côté l'un de l'autre. Si vous visez une densité énergétique vraiment, vraiment élevée, vous préféreriez avoir une pile à combustible plutôt qu'une batterie pour des raisons de sécurité. »

Bien que le dispositif n'existe actuellement que sous la forme d'un petit prototype à cellule unique, Chiang affirme que le système devrait être assez simple à mettre à l'échelle pour atteindre des tailles pratiques en vue d'une commercialisation. Les membres de l'équipe de recherche ont déjà fondé une société, Propel Aero, pour développer la technologie. La société est actuellement située dans l'incubateur de startups du MIT, The Engine, à Cambridge, une destination populaire pour les visiteurs.

Produire suffisamment de sodium métallique pour permettre une mise en œuvre mondiale large et complète de cette technologie devrait être réalisable, car le matériau a déjà été produit à grande échelle auparavant. Lorsque l'essence au plomb était la norme, avant d'être progressivement abandonnée, le sodium métallique était utilisé pour produire du plomb tétraéthyle, qui était utilisé comme additif, et était produit aux États-Unis à une capacité de 200 000 tonnes par an. « Cela nous rappelle que le sodium métallique était autrefois produit à grande échelle et qu'il était manipulé et distribué en toute sécurité dans tous les États-Unis », déclare Chiang.

De plus, le sodium provient principalement du chlorure de sodium, ou sel, il est donc abondant, largement répandu dans le monde et facile à extraire, contrairement au lithium et aux autres matériaux utilisés dans les batteries actuelles des véhicules électriques. L'équipe de scientifiques, dont les travaux proviennent principalement de centres de recherche du Massachusetts, s'appuie sur cette disponibilité.

Système de charge et étapes futures

Le système qu'ils envisagent utiliserait des cartouches remplaçables, qui seraient remplies de sodium métallique liquide et scellées. Une fois épuisées, elles seraient renvoyées à une station de charge et remplies 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 le chauffer jusqu'à son point de fusion pour remplir les cartouches.

Le plan initial est de produire une pile à combustible de la taille d'une brique capable de 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 utilisée, par exemple, dans l'agriculture. L'équipe espère avoir une telle démonstration prête d'ici l'année prochaine, c'est-à-dire d'ici mai 2026.

Principales connaissances scientifiques et travail d'équipe

Karen Sugano, qui a effectué la majeure partie du travail expérimental dans le cadre de sa thèse de doctorat et qui travaillera désormais dans la startup Propel Aero, affirme qu'une découverte clé a été l'importance de l'humidité dans le processus. En testant l'appareil avec de l'oxygène pur puis avec de l'air, elle a découvert que la quantité d'humidité dans l'air était cruciale pour l'efficacité de la réaction électrochimique. L'air humide a eu pour résultat que le sodium forme ses produits de décharge sous forme liquide plutôt que solide, ce qui a considérablement facilité leur élimination par le courant d'air à travers le système. « La clé était que nous pouvions former ce produit de décharge liquide et l'éliminer facilement, contrairement à une décharge solide qui se formerait dans des conditions sèches », dit-elle.

Saahir Ganti-Agrawal note que l'équipe s'est appuyée sur les connaissances de diverses sous-disciplines de l'ingénierie. Par exemple, il existe de nombreuses recherches sur le sodium à haute température, mais aucune avec un système à humidité contrôlée. « Nous nous inspirons de la recherche sur les piles à combustible en ce qui concerne la conception de notre électrode, nous nous inspirons des recherches plus anciennes sur les batteries à haute température, ainsi que de certaines recherches plus récentes sur les batteries sodium-air, et nous combinons en quelque sorte tout cela », ce qui a conduit au « grand bond en avant en termes de performances » que l'équipe a réalisé, dit-il.

L'équipe de recherche comprenait également Alden Friesen, un stagiaire d'été au MIT fréquentant la Desert Mountain High School à Scottsdale, en Arizona ; Kailash Ramana et William Woodford de Form Energy à Somerville, Massachusetts ; Shashank Sripada de And Battery Aero en Californie, et Venkatasubramanian Viswanathan de l'Université du Michigan. Les travaux ont été soutenus par ARPA-E, Breakthrough Energy Ventures et la National Science Foundation, et ont utilisé les installations de MIT.nano.