Technologies batteries Lithium pour VE

Technologies
batteries Lithium
pour VE
Laurent TORCHEUX
18 Juin 2010
Sommaire
Généralités
Principes technologiques des batteries
lithium-ion
Avantages / inconvénients des
technologies
Un secteur en pleine mutation
Disponibilité des matériaux, recyclage, reuse, ACV…
Les deux difficultés : coût & sécurité
Conclusions
L. Torcheux 18 juin 2010
Qu’est ce qu’une batterie ?
Système réversible de
stockage d’électricité
Critères clefs :
Performances, sécurité, coût,
longévité, capacité de charge
rapide, recyclage.
Électrode
Négative
Électrode
positive
L. Torcheux 18 juin 2010
Séparateur
+ électrolyte
De la cellule au pack
1 cellule
0,1 kWh
1 module = plusieurs
cellules
1 kWh
1 pack = plusieurs modules +
système de gestion
électrique, thermique …
10 kWh
Assemblage électrique en parallèle et en série, ajout des fonctions
de surveillance, de coupure électrique et de communication vers le
chargeur et le véhicule
L. Torcheux 18 juin 2010
Les grandes familles de batteries
Les batteries
plomb (Pb, VRLA…)
Les batteries alcalines
(NiCd, NiMH, NiZn ..)
Les batteries Lithium (Li ion, Li Métal
Polymère…)
Les batteries Sodium
(Zebra Na-NiCl2, NaS)
L. Torcheux 18 juin 2010
Marché batterie rechargeable
Source AABC 2008
L. Torcheux 18 juin 2010
Performances pour VE
> 200 km
Autonomie
Densité d’énergie (Wh/kg)
Prix (€/kWh)
150-200 km
> 200
80-100 km
80 km
50 km
25 à 35
80-150
Plomb
40 à 60
600-800
NiCd
Disponible
L. Torcheux 18 juin 2010
55 à 70
100-120
600-1200
Objectif :
300
Objectif
<300
Lithium
Lithium avancé
600-1000
NiMH
En développement
et pré-séries
industrielles
R&D
La révolution Lithium
„Le prix des batteries pour les nouvelles
applications pourrait suivre la même évolution
que celle des batteries de téléphones et microordinateurs (coût divisé par 3 en 10 ans).
„ Les batteries Lithium-ion peuvent permettre
l’émergence d’une nouvelle génération de
véhicules électriques et de nouvelles applications
dans le domaine stationnaire.
Mais :
- technologies encore en
développement, différentes du portable
- des systèmes complets à développer
(gestion thermique, électrique,
packaging …)
- risque sécurité (explosion / feu)
- coût encore élevé, marchés incertains
L. Torcheux 18 juin 2010
Principe et technologies
„ Lithium-ion
Électrode négative
en carbone
„ Lithium métal polymère
Électrode négative en
Lithium métallique
L. Torcheux 18 juin 2010
Principe et technologies
Technologie en films minces
(50µm) qui sont ensuite
assemblés => procédé salle
blanche & salle anhydre
L. Torcheux 18 juin 2010
Les grandes familles de matériaux (Li ion)
Matériaux + (cathode)
Abréviation
LiCoO2
LCO
Li Ni0,8, Co0,15 Al 0,05 02
NCA
LiMn2O4
LMO
LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2
NMC
LiFePO4
LFP
Matériaux (-) Anodes
Carbones
(graphite/amorphe)
LiC6
Titanates
LTO
Oxydes/composés
métalliques
L. Torcheux 18 juin 2010
Sn, SiC…
Avantages / inconvénients
Oxyde de
manganèse
Oxyde fer
phosphate
coût faible
sécurité
brevet
dispo m atériaux
charge rapide
perform ance
énergétique
perform ance
puissance
coût faible
perform ance
énergétique
sécurité
perform ance
puissance
brevet
longévité
dispo m atériaux
coût du recyclage
charge rapide
longévité
coût du recyclage
coût faible
sécurité
Oxyde mixte
nickel, cobalt,
aluminium
perform ance
énergétique
perform ance
puissance
brevet
dispo m atériaux
charge rapide
longévité
coût du recyclage
Aucune technologie ne satisfait toutes les exigences requises.
Souvent des mélanges !
L. Torcheux 18 juin 2010
Performances dans le futur
cathode
anode
Wh/kg
Wh/kg
tension materiaux materiaux
(V)
max
rev
Wh/kg
cellule
rev
Wh/kg
pack
rev
Materiau 5V
NCA
Matériaux Haute énergie
LiC6
Sn type
5
3,5
609
646
442
468
221
234
147
156
(372Ah/kg)
LiC6
3,6
673
488
244
163
LiC6
5
935
678
339
226
5
5,9
4,3
1215
6097
7714
881
1000
1500
440
500
750
294
333
500
Matériaux 5V Haute
énergie (372Ah/kg)
Matériaux 5V Haute
énergie (372Ah/kg)
F2
O2
Si
Li
Li
Li-air Pas avant 2020 !
L. Torcheux 18 juin 2010
Un secteur en pleine mutation
Un secteur en mutation sous l’impulsion de plans
d’investissements publics massifs et d’une recomposition des
acteurs industriels
Multiples alliances et recompositions entre les industriels
(constructeurs automobiles, équipementiers et fabricants de
batteries) :
Renault/Nissan avec NEC (AESC), Bosch avec Samsung (SB Li
motive), MMC avec GS Yuasa (LEJ), Toyota en propre et/ou avec
Panasonic (Sanyo), JCS etc...
Montée en puissance de nouveaux acteurs comme, A123 system’s et
Enerdel aux US, BYD et Lishen, ATL, Phylion, Wanxiang en Chine,
Phet à Taiwan; Dow-Kokam, LG Chem, SK en Corée et Litec (Groupe
Daimler) en Allemagne…..
L. Torcheux 18 juin 2010
Un secteur en pleine mutation
1) Le Japon et la Corée dominent sur le plan
technologique et industriel le secteur des batteries.
2) Les Etats-Unis reconstituent leur potentiel industriel au
travers des 2,4 Md du plan Obama.
3) La Chine avec son plan 861 s’est dotée d’une industrie
et d’universités puissantes. BYD premier véhicule
commerciale équipé de batteries Li ion pour la traction.
4) L’Europe avance en ordre dispersé malgré la tradition
historique Française, la filière industrielle Allemande est
ambitieuse (plan 500 M€).
L. Torcheux 18 juin 2010
Un secteur en pleine mutation
5 ) En France :
9 SAFT allié à Johnson Control dans JCS livre des produits de
qualité pour l’automobile.
9 Une nouvelle filière nationale est sur le point d’éclore avec la
mise en place d’une co-entreprise entre Renault, Nissan, le
CEA et le FSI pour la production de batteries lithium ion pour
les véhicules électriques (création d’une usine à Flins pour la
production de VE et l’assemblage de batteries Li ion).
9 Dow Kokam (SVE) projet d’usine à Vert le petit.
9 Bolloré reste positionné sur le lithium métal polymère après le
rachat des actifs d’Avestor (Bathium) et la possession de
l’ensemble des brevets de cette filière technologique.
L. Torcheux 18 juin 2010
Maturité industrielle du secteur ?
L’industrie des batteries Li ion pour l’automobile
n’est pas encore à maturité industrielle
Une vraie volonté industrielle des fabricants est constatée,
notamment en Asie, mais il existe encore un certain décalage
entre les annonces et la réalité industrielle (forme et géométrie
des cellules non figées, délais de mise en place des lignes
haute capacité, taux de déchets inconnus etc…)
L. Torcheux 18 juin 2010
Disponibilité des matériaux
La disponibilité des matériaux ne devrait pas ralentir l’essor du
marché si elle est bien anticipée.
¾La disponibilité des matériaux des batteries Li ion est plutôt bonne
dans la forme actuelle de la technologie à condition de privilégier des
technologies à faible teneur en cobalt, ce qui est maintenant bien pris
en compte par les fabricants.
¾L’anticipation des capacités d’extraction industrielles et la logistique
associée sont des facteurs importants mais semblent être bien pris en
compte aujourd’hui.
¾ Du point de vue des réserves et des coûts de production prévisibles,
le lithium ne constitue pas un facteur limitant pour le développement
des véhicules électriques.
L. Torcheux 18 juin 2010
Disponibilité Lithium
1100
Réserves base de lithium, par pays
(zones exploitées) = 14 000 kT
410 260
Consommation actuelle =14 kT/an
3000
De 3 kg à 12 kg de lithium par batterie
de véhicule électrique (20kWh) suivant
5400
la technologie
360
910
De 1 à 5 Milliards de VE hors conflits
d’usage, prise en compte uniquement
des réserves prouvées et sans recyclage.
L. Torcheux 18 juin 2010
USA
Australie
Bolivie
Brésil
Canada
Chili
Chine
Recyclage
9La réglementation impose le recyclage des batteries (directive
2006/66/CE en cours de transposition en droit français). Méthodes
de calculs de taux de recyclage pas encore figées, inclus le
transport.
9Besoin de mise en place de la filière industrielle spécifique
(UMICORE, VEOLIA-EDI, SNAM, SRELEC, RECUPYL, …).
9Des procédés de recyclage sont disponibles pour les batteries
lithium portables mais pas forcément adaptés aux nouvelles
technologies.
9Le recyclage des batteries Li ion automobiles sera probablement
un coût qui doit être intégré au modèle économique global.
L. Torcheux 18 juin 2010
« Re-use »
Théme important pour l’équilibre
des modéles d’affaires
1ere vie, 2eme vie, 3eme vie …
1ere vie 100-80% Marché du VE neuf
2eme vie 80-50% Marché du VE Occasion
3eme vie 50-0% Marché du stationnaire
Valeur de rachat d’entrée ? Standardisation des packs ?
Collecte / transport /Recyclage
L. Torcheux 18 juin 2010
Constructeur auto
ou opérateur
mobilité
Utilité ou
opérateur de
service ou…
Recycleur
Analyse du cycle de
vie VE + Batterie Li ion
Sans considérer le recyclage, rapporté au véhicule sur le cycle de vie
l’impact du véhicule électrique représente près de la moitié de CO2 eq
par rapport un véhicule thermique équivalent. même en considérant un
mixte énergétique relativement élevé en CO2.
Standard car
3'737 1'461
36'117
Glider
-53%
Electric car
3'7371'350
1'682
12'748
ICE drivetrain
El. Drivetrain
Battery (300kg)
Operation
5'000
10'000
15'000
20'000
25'000
30'000
35'000
40'000
BEV, EU-electricity (UCTE-mix, 593 gCO2eq/kWh)
300kg battery
Global Warming Potential GWP [kg CO2-eq./150'000km]
M. Gauch et al, Empa - Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research (batteries 2009 Cannes)
L. Torcheux 18 juin 2010
45'000
Sommaire
Généralités
Principes technologiques des batteries
lithium-ion
Avantages / inconvénients des
technologies
Un secteur en pleine mutation
Disponibilité des matériaux, recyclage, reuse, ACV…
Les deux difficultés : coût & sécurité
Conclusions
L. Torcheux 18 juin 2010
Coût des batteries Li ion
Marché du portable
Vers 200 €/kWh mais
durée de vie courte
(moins de 200-250
cycles, ~ 2ans).
Pas d’intégration
système,
problématique sécurité
moindre ….
Marché émergent des transports
Aujourd’hui « Système batterie
pour VE », entre 600 et 1200
€/kWh en pack.
Evolution à la baisse : vers 300400 €/kWh au niveau « système »
si des effets volumes importants
interviennent
Marché 50-100 kVE /an/ constructeur
VE-150 km (20 kWh)
Systéme batterie = 6-8 k€ euros env.
L. Torcheux 18 juin 2010
Sécurité batteries Li ion
• De nombreux incidents pour
les batteries d’ordinateurs
portables
• Un problème de sécurité
pourrait ralentir le développement
des batteries pour les transports.
9Risque inhérent à la qualité de
fabrication (CC particules
métalliques…)
9Risque inhérent à la mauvaise
utilisation (surcharge,
échauffement, sur-décharge…)
• Eventuellement : Explosion, Feu,
gaz toxiques en milieu confiné
Essai de surcharge d’une batterie Li ion aux Renardières R&D EDF.
L. Torcheux 18 juin 2010
Sécurité batteries Li ion
Le risque des batteries Li ion pour l’automobile peut être
contenu:
-Etude rigoureuse et au cas par cas des cellules puis les systèmes Li
ion automobiles.
-Développement d’une redondance de méthodes physiques,
chimiques, de conception produit, l’utilisation de chiens de gardes
électroniques multiples basés sur différents processus.
- Le temps qu’il faudra pour mettre en place ce niveau de sécurité
systèmes n’est pas à négliger.
Le risque accidentel sera toujours présent ; statistiquement il est
probable. Il faut donc privilégier dans la phase de démarrage du
marché des cellules ou des montages le plus intrinsèquement sûrs
pour les transports électriques.
Besoin de certification
L. Torcheux 18 juin 2010
Normalisation et certification
ƒ Procédures USABC (Abuse test manual)
ƒ Manuel ONU d’épreuves et de Critéres (TMD) (ST/SG/AC rev 5
2009)
ƒ Norme Européenne NF EN 62281:2004 : sécurité des piles et
accumulateurs au lithium pendant de le transport
ƒ ISO/CD 1205 : Véhicules routiers à propulsion : spécification
d’essais pour systémes de batteries de traction de type Li ion
ƒNorme Internationale (Projet) IEC 61982-5 : Batteries
secondaires pour la propulsion des véhicules routiers
électriques.
ƒ Projet de certification volontaire ELLICERT (INERIS)
L. Torcheux 18 juin 2010
Conclusions
L. Torcheux 18 juin 2010
Conclusions
Les performances des cellules Lithium ion pour l’automobile sont
bonnes mais doivent être validées pour les cellules industrielles et
les systèmes batteries complets. L’autonomie des VE sera
durablement plafonnée à 200 km. A partir de 2020 on peut espérer
des ruptures vers 500 km.
L’industrie des batteries Lithium ion pour l’automobile se met
réellement en place mais n’est pas encore aujourd’hui à maturité
industrielle pour les véhicules électriques.
Les coûts des batteries Li ion peuvent descendre vers 300 €/kWh
si des effets de volume importants interviennent (terme ?),
importance du « re-use » sur les modèles économiques;
La sécurité des batteries est un élément clef, elle doit être
garantie, le délais pour atteindre des systèmes de qualité dans ce
domaine reste incertain.
Besoin de certification dans les domaines des performances mais
surtout dans le domaine de la sécurité
L. Torcheux 18 juin 2010