Evolutions des batteries : applications et perspectives

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1 Stockage d énergie électrique : quels nouveaux concepts? pour quelles applications? Evolutions des batteries : applications et perspectives Anne de GUIBERT Directeur de la recherche SAFT 111, bd Alfred-Daney Bordeaux Cedex retour au sommaire

2 Introduction L expansion rapide des appareils électroniques «nomades» (ordinateurs et téléphones portables, assistants personnels, caméscopes, etc.) a été rendu possible grâce aux progrès des accumulateurs qui l ont accompagnée. Autonomie accrue, miniaturisation, haute fiabilité, ces exigences des consommateurs ne pouvaient être satisfaites avec les accumulateurs traditionnels. Les années récentes ont vu l émergence de deux grandes familles nouvelles d accumulateurs, le nickel/hydrure et le lithium-ion. Ces deux systèmes possèdent des énergies spécifiques et des densités d énergie très supérieures aux systèmes traditionnels, et supplantent progressivement le plomb ou le nickel/cadmium pour toutes les applications des télécoms portables. Cette profonde mutation dans le domaine du «portable grand public» se ralentit aujourd hui dans les pays développés, avec la quasi-saturation du marché du téléphone portable. Mais d autres mutations de la société sont en cours, et d autres secteurs de l économie expriment à leur tour le besoin accru de sources d énergie performantes, que ce soit dans le domaine du transport ou dans le domaine stationnaire. Par exemple, la réduction de consommation et d émissions polluantes des véhicules automobiles pousse les constructeurs à électrifier certaines fonctions, d où besoin de davantage de puissance électrique disponible à bord. Autre exemple, les besoins de certaines industries et la dérégulation de la fourniture d électricité conduisent à des modifications de prise en compte de la notion de «qualité de courant», d où le besoin de stockage pour assurer la qualité de courant. Evolution des performances des accumulateurs Les utilisateurs ont des demandes générales d augmentation du service rendu par les accumulateurs (augmentation d énergie, réduction des coûts d usage) et des demandes spécifiques qui dépendent de l application. On peut schématiquement représenter les besoins comme ci-dessous : 1. Demandes générales Augmenter l autonomie Gain de poids : améliorer l énergie massique Gain de place : améliorer l énergie volumique Réduire le coût du service Augmenter la durée de vie (plus de cycles) Réduire les coûts (matière, fabrication) 2

3 2. Demandes spécifiques Assurer des prestations particulières domaine de température élargi puissance charge rapide conditions spéciales d environnement, faibilité etc. Les fabricants d accumulateurs ont étudié ces vingt dernières années de nombreux couples électrochimiques de haute énergie spécifique, pour remplacer les accumulateurs traditionnels plomb et nickel/cadmium. On peut citer par exemple les accumulateurs à électrode négative de zinc (zinc/air, nickel/zinc), les batteries fonctionnant à haute température (Na/S, Na/NiCl 2, LiAl/FeS 2 ), les accumulateurs à électrode négative de lithium métal, etc. Deux systèmes ont débouché commercialement à grande échelle pour les applications portables : le nickel/hydrure métallique, et le lithium-ion. Le nickel/hydrure métallique est également disponible pour des applications industrielles alors que le lithium-ion est encore en développement pour ces applications. Les performances des principaux systèmes sont rappelés ci-dessous dans le tableau I et comparées aux accumulateurs traditionnels. Tableau I. Comparaison des caractéristiques techniques des accumulateurs Energie spécifique Densité d énergie Puissance Nombre de cycles (Wh/kg) * (Wh/litre) * en pointe (W/kg) portable/industriel *** plomb jusqu à / 800 (traction) Ni/Cd / >2000 Ni/MH jusqu à / > 1500 Ni/Zn faible 200 max Na/NiCl faible > 500 Li-ion ** jusqu à 1350 > 80 * Les chiffres extrêmes des fourchettes correspondent à des tailles différentes d accumulateurs (les gros éléments ayant en général des énergies plus élevées), ou à des conceptions pour des applications différentes. ** Li-ion à négative carbone et électrolyte liquide ou polymère gel. *** chiffre de gauche : petits accumulateurs portables ; chiffre de droite : accumulateurs industriels. 3

4 Le tableau II ci-dessous résume quelques avantages et inconvénients des différents systèmes : Tableau II. Avantages et inconvénients majeurs des principaux systèmes électrochimiques Les applications nouvelles des générateurs électrochimiques 1. Les batteries dites «portables» En l an 2000, il s est fabriqué dans le monde plus de 1,4 milliard d éléments Ni/Cd, 1 milliard d éléments Ni/MH et 500 millions d éléments Li-ion. Comme nous l avons dit dans l introduction, les marchés principaux des accumulateurs Ni/MH et Li-ion se situent dans les équipements électroniques portables : téléphones, ordinateurs, caméscopes. Après un boom ces dernières années, ces marchés devraient retrouver un rythme de croissance plus proche de l économie traditionnelle. Le glissement des applications encore en Ni/MH vers le lithium-ion, déjà presque total au Japon, devrait se poursuivre en Europe. Le lithium-ion à électrolyte polymère gel et emballage souple, introduit en 1999, devrait continuer à progresser dans les segments demandant des accumulateurs ultra-plats sans occuper de position dominante. 4

5 Les marchés comme l outillage portatif ou la téléphonie sans fil (DECT) sont également demandeurs d une augmentation d énergie et de puissance spécifiques des accumulateurs. Toutefois, le nickel/cadmium reste complètement dominant sur ces applications en raison de sa robustesse. Les conditions d exploitation des accumulateurs dans l outillage portable en particulier professionnel exigent : une capacité élevée même à froid et à fort régime ; une bonne aptitude à la charge rapide ; une durée de vie élevée pour des accumulateurs étanches (500 cycles demandés) ; un faible vieillessement même à chaud ; l aptitude à supporter l inversion des éléments (les éléments n ont pas des conditions thermiques homogènes dans les packs batteries) ; un faible coût. Jusqu à présent, les nouveaux couples n avaient pas les qualités requises pour satisfaire les exigences de puissance à froid ni l aptitude à supporter l inversion. Les progrès récents, comme la pression des utilisateurs pour augmenter les performances pourraient faire émerger le Ni/MH. Le nickel/cadmium a toutefois une robustesse encore inégalée. Le domaine médical voit également l émergence d une demande en accumulateurs très fiables et de haute capacité que le lithium-ion devrait satisfaire. 2. Le domaine du transport L architecture électrique des voitures est amenée à connaître au cours de la prochaine décennie une profonde mutation qui a pour origine d une part les exigences de réduction d émissions (CO 2 et polluants), et d autre part la demande accrue de fonctions embarquées consommant de l énergie électrique (équipements de sécurité ou de confort). Face à ces exigences, les options sont nombreuses : véhicules à traction électriques, véhicules hybrides, piles à combustibles ou véhicules à moteur thermique alimentés en 42 V avec électrification de certaines fonctions («mild hybrid»). Les batteries ont une taille plus ou moins grosse selon les options techniques retenues, mais, dans tous les cas, plus importante que celle des batteries de démarrage d aujourd hui. 5

6 Le tableau ci-dessous résume les exigences des différentes options : (*) la tension est appelée 42 V, mais il s agit de la tension maximum (c est-à-dire l équivalent de la tension de charge fournie par l alternateur). La tension à circuit ouvert d une batterie au plomb dans ces condtions serait 36 V. (**) une batterie de démarrage standard de voiture n est pas capable de faire plus de 60 cycles profonds. Pour le véhicule tout électrique, afin d améliorer toujours davantage l autonomie, les couples au lithium devraient progressivement prendre le dessus sur les accumulateurs alcalins, au fur et à mesure que les problèmes techniques (durée de vie, sécurité, etc.) sont en passe d être résolus. Le véhicule hybride quel que soit son type a des besoins partiellement différents de ceux du véhicule électrique. Il est en particulier caractérisé par : le besoin d un ratio puissance/énergie plus élevé ; des énergies embarquées plus basses ; des exigences supplémentaires en termes de température de fonctionnement (froid et chaud). La batterie au plomb traditionnelle ne peut satisfaire les exigences du 42 V dès lors qu un cyclage un peu important est demandé (par exemple être capable de sortir la voiture d un parking en mode électrique pur, ou récupérer l énergie de freinage pour réduire la consommation). Compte tenu de ces contraintes, le choix reste très ouvert entre lithium-ion et nickel-hydrure métallique pour l hybride et le 42 V. Un examen de l application doit être fait au cas par cas compte tenu des cahiers des charges des constructeurs, et du type ou du niveau d hybridation. C est pourquoi Saft développe des éléments haute puissance des deux technologies pour les différents besoins exprimés par les constructeurs. Le supercondensateur, source de très haute puissance, grande durée de vie et faible énergie stockée, en association avec une batterie peut être la solution la plus avantageuse dans certains cas. 6

7 Enfin, même la pile à combustible, que beaucoup présentent comme la future source d énergie universelle pour les transports, aura besoin d une source de stockage alternative de forte puissance (pour les phases de démarrage, ou la récupération d énergie au freinage). 3. Le domaine stationnaire Les batteries traditionnellement utilisées pour secourir les installations électriques sont à plus de 90 % des batteries au plomb. Le nickel/cadmium, plus coûteux, est utilisé lorsqu une grande fiabilité est demandée. Deux faits importants modifient ou sont suceptibles de modifier la demande dans les prochaines années : l extension des réseaux de téléphonie mobile, qui nécessite l installation de stations de base dans des environnements contraignants (sites isolés, façades ou toits d immeubles) ; la dérégulation du marché de l électricité et la demande de très grande fiabilité du réseau de la part de certaines industries (par exemple les semi-conducteurs). La batterie au plomb se prête mal à ces nouveaux marchés : les conditions climatiques en site isolé sont en général difficiles, en particulier aux USA. La durée de vie du plomb est trop faible à chaud ; la «mort subite» de batteries au plomb en fin de vie est difficilement compatible avec les exigences d alimentation fiable en site isolé. Le nickel/cadmium est aujourd hui proposé avec succès pour ces marchés. Il conjugue pour ces conditions le meilleur rapport qualité/prix. Le lithium-ion, qui conjugue fiabilité et faible masse devrait, à terme, occuper les segments de marché où la légèreté est un atout majeur. Conclusion Au plan technique, les marges de progression des nickel/hydrure métallique et lithium-ion sont encore importantes. Le lithium-ion en particulier est loin d être mature : de nouvelles générations de matériaux doivent permettre d améliorer les performances et réduire les coûts. L objectif d un lithium-ion à 200 Wh/kg n est plus une utopie pour les éléments portables. 7

8 L évolution du marché des batteries automobiles et industrielles devrait être importante au cours des prochaines années, avec une érosion progressive de la part de marché du plomb. Le défi est d arriver à réduire suffisamment le prix des nouveaux couples pour leur permettre de s imposer. début

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