Enjeux et défis du stockage électrochimique de l énergie. J.M. Tarascon, et al.,

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1 Enjeux et défis du stockage électrochimique de l énergie J.M. Tarascon, et al.,

2 Le contexte énergétique aujourd hui Millions d année s Combustibles fossiles Découverte Consommation 95 MBa /jour années Découvertes prévues 28 TW 14 TW

3 Stockage de l énergie: un autre défi du 21 ème siècle Améliorer-inventer de nouvelles technologies de stockage Applications réseau Pour mieux gérer les ressources en énergies renouvelables de notre planète Applications transport Pour favoriser le développement de véhicules électriques Vent Soleil Marées MWh Électrique kwh Chimique Électrique Batteries

4 La technologie à ions Li: Une technologie très versatile + - LiMn 2 O V 210 Wh/kg 625 Wh/l LiCoO V NMC V Électrolyte non aqueux Li 4 Ti 5 O V c a LiFeSO 4 F 3.6 V (1991) Cathode Li + Li Anode TiO 2 (B) 1.8 V LiFePO V Li 2 FeSiO V Puissance 2 to 10kW / kg Li x C V Li x Si y 0.4 V

5 Remerciement à S. Levasseur (Umicore) La technologie Li-ion a changée notre comportement?

6 La technologie Li-ion: Un marché étendu et diversifié Marché économiquement lucratif Wh VEs pack kWh Li-ion a conquis le marchet du portable.. 2 MW stockage Li-ion Qu en est-il des VEs et des applications réseaux??? Quels sont les challenges restants?

7 Défis actuels de La Technologie Li-ion vis-à-vis des véhicules électriques Sécurité 500 /kwh Coût / 2 Energie x2 Autonomie 160 km 320 km Coût Energie 130Wh/kg *Source: Nedo (2009) Puissance Matériaux plus performants et moins coûteux Matériaux/procédés ayant une empreinte environnementale minimale

8 SECURITE La technologie à ions Li: aspect sécuritaires Quelques incidents: Ordinateurs devenant des lances flammes" Août 2006: 6.5 millions de batteries furent rappelés Fuite d électrolyte Court-circuit internes Problèmes de fabrication Abus d usages

9 SECURITE le risque zéro n existe pas Comment l approcher? Wh KWh 2V LiFePO 4 / LiBOB/ Li 4 Ti 5 O 12 LiFePO4 Additifs de coupure Séparateurs de coupure Modificateurs de SEI Chimie des matériaux Amélioration par la chimie Additifs pour électrolytes Enrobages Liquides ioniqies LiCoO 2 Électronique de contrôle de la batterie Système de gestion de la batterie Navettes redox Régulation thermique 5 V Amélioration du design et de l électronique Valve de pressurisation Interrupteurs thermiques Coût Sécurité *Batteries tout solide Matériaux inorganiques

10 ENERGIE Développements à court et moyen terme Augmenter la capacité (2e - par métal 3d?) Ex: Li 2 MnSiO 4 Augmenter le potentiel (5 V?) Potential (V) 1.75 Li 60 C Potential (V) Ex: Li 2 CoPO 4 F Impossibilité de jouer avec 2 électrons par métal 3d

11 ENERGIE Nouveaux oxydes lamellaires riches en Li à capacités géantes versus LiCoO 2 (190 mah/g) Li[LiCoNiMn]O 2 Li-excès Co Ni Mn Problème de commercialisation Origine de la chute de potentiel Proposer une solution???? Intervention du redox Anionique (O-- (O 2 ) 2- T.Ohzuku, Y. Makimura; Chem Lett. 642 (2001) M Sathia, J.M. Tarascon et al. Nature mateerrials (2013) Potentiel (Volts vs. Li + /Li) ? Capacité exacerbée (> 280 mah/g) Chute de potentiel 100 éme cycle ?? Capacité en mah/g 1 er cycle 0

12 ENERGIE Comment augmenter la densité d énergie à long terme??? Comment réduire le gap entre essence et batterie??? A factor 15 gap Petrole + air 2500Wh/kg Batterie 150Wh/kg Quels sont les chimies adéquates???

13 ENERGIE Performances des systèmes Li- air et Li-S par rapport à Li-ion Batterie Battery Cell Voltage V (volts) Potentiel Energie densité Theoretical Specific théorique Energy Wh kg -1 Today s Li-ion ½C 6 Li + Li 0.5 CoO 2 = 3C + LiCoO 2 Zn/air Zn + ½O 2 = ZnO Li/S 2Li + S = Li 2 S Li/air (non-aqueous) 2Li + O 2 = Li 2 O 2 Li/air (aqueous) 2Li + ½O 2 + H 2 O = 2LiOH De nombreux verrous technologiques restent à lever : la route sera longue avant d avoir des batteries Li-air commerciales Bruce PG, Freunberger SA, Hardwick LJ, Tarascon JM, Nature Materials, 11, 19-29, 2012.

14 Technologie à ions Li dans le cadre du développement durable

15 Environnement Les besoins et les défis de demain: Développer des batteries Li-ion viables Assemblage de la batterie aujourd hui Approche idéale Fabrication d une batterie de 1kWh Energie nécessaire 287 kwh CO 2 rejeté 110 kg Besoin de fabriquer des batteries Liion plus viables et plus écologiques Comment l atteindre??? Travailler au niveau de la synthèse du matériau Explorer les électrodes organiques Chercher la chimie post-li

16 Nouveaux matériaux dans le cadre du Développement durable Matériaux d électrodes ( ( Composition chimique Procédé d élaboration ) ) + Favoriser l utilisation d éléments abondants et peu couteux (Fe, Mn, Ti, S, P, C, B, Na, Mg)

17 Potentiel élevé: Recherche de matériaux à potentiels + élevés que LiFePO 4 (> 3,45 V) à base de fer et faciles à préparer Structure-propriété: (augmenter l ionicité) Fe O P F SO 4 2- Liquides ioniques NaCl [EMI] + [TFSI] - Sels fondus à T amb. LiFeSO 4 F Comment le préparer Synthèse ionothermale inorganique???

18 Liquides ioniques Nouveaux matériaux via la synthèse ionothermale EMI -TFSI FeSO 4.H 2 O + LiF LiFeSO 4 F 285 C, 24h Nouvelle phase Structure TAVORITE Généralisation de la réaction MSO 4.H 2 O (Mn, Ni, Co, Mg, Zn, Cu) + AF (Li, Na, K) 20 nouvelles phases AMSO 4 F P. Barpanda et al.. Inorganic Chemistry, 49, , Importance de comprendre les mécanismes réactionnels N. Recham, et al., Nature Materials, 9, 68-74, (2010)

19 Propriétés électrochimiques du fluorosulfate de fer LiFeSO 4 F Potentiel (V vs. Li + /Li ) Triplite LiFeSO 4 F 3.9 V 2.5 Valeur du couple redox Fe +3 /Fe +2 le plus élevé jamais observée Capacité (mah/g) Eléments bas coûts Temp. synthèse < 300 C Li 2 Fe(SO 4 ) 2 LiFeSO 4 OH Trip. LiFeSO 4 F LiFeO 0.5 SO 4 Tav. LiFeSO 4 F LiFePO 4 Peut-on préparer ces matériaux d électrodes à température ambiante??? Oxydes riches en Li Oxydes LiCoO 2

20 Vers une élaboration éco-efficace des matériaux d électrodes : quelques tendances Développer des approches de synthèse bio-assistée, bio-inspirée Diatomées Bactéries/Virus Levures Pour synthétiser des matériaux existants ou nouveaux à basse température des matériaux avec textures / morphologies contrôlées

21 Des bactéries pour des matériaux d électrodes texturés 100 Bactéries ferro-oxydantes pour -Fe 2 O 3 Biominéralisation inter-membranaire +Fe C/2 jours Bactérie (Acidovorax) Bactérie + -FeOOH Chauffage flash sous air 40 nm Energie (%) Temps de charge divisé par 50 -Fe 2 O 3 texturé 20 -Fe 2 O 3 non texturé 0 - Vitesse de charge + J. Miot, N. Recham, D. Larcher, F. Guyot and J.M. Tarascon (Energy & Environmental Science, 2013) Nanograins de -Fe 2 O 3 texturé Coques creuses

22 Nouveaux matériaux dans le cadre du Développement durable Alternative organique à l approche minérale LiO LiO O O Li 2 C 6 O 6 O O Li 2 C 6 O 6 Capacity: 1200mAh/gr Voltage: 2,8V Que reste t-il à découvrir??? La molécule organique lithiée idéale (insoluble, contenant du Li et oxydable)

23 Batteries dans le cadre du développement durable: Le lithium

24 Ressources en Li Problème concernant les ressources en Li Alternatives Promouvoir le recyclage

25 La technologie à ions Na + La technologie Na-S Défi: Développer des batteries Na-ion à température ambiante 300 C

26 NaNi 1.5 Mn 0.5 O 2 NaClO 4 in PC C No of publications per year La recherche sur la technologie Na-ion explose??? Cellules Na-ion 2010 Web of knowledge Feb 2013 sodium ion batteries Na 3 V 2 ((PO 4 )2F 3 NaPF 6 in PC/EC/DMC C Cycle number La technologie Na-ion devrait être commercialisée dans les 5 ou 10 ans à venir (avantages de coûts) Potential (V) Year 120 Wh/kg Capacity (mah/g NVPF ) Capacity (mah.g -1 ) NVPF S. Komaba et al. Nature Materials 2012 L. Croguennec et al. Energy and environment science Coulombic efficiency (%)

27 Les batteries à flux circulants Redox flow

28 Batteries : Systèmes à flux circulants «REDOX FLOW» Fuel cells: Redox Flow Cells Power and capacity are decoupled Great design versatility Membrane selectivity Redox Species solubility (2M) Conversion efficiency (75% pumps..) Commandant C. Renard, Les piles légères du ballon dirigeable La France, Bibliothèque de la revue aéronautique, G. Masson, Paris, 1890.

29 Système redox classique: VRB 1.26 V Y.M. Chiang et al. US Patent 2010/ A1 (25-35 Wh/kg) Quelques démonstrateurs, mais jamais commercialisée? REDOX FLOW SYSTEMS: Recent developments/advances Nouveauté: utilisation d encres plutôt que de solutions Augmente la concentration de matériau actif c) (MIT) New Li-ion redox flow: 3.5 V Flowable catholyte slurries (LiCoO 2, + C + Li-based electrolye) + - Current collector membrane ions Current collector (65-80 Wh/kg) Flowable anolyte slurries (Carbon + Li-based electrolye)

30 Nouvelles chimies au delà du Li-ion: un récapitulatif - + Na + Li/air batteries Li/S batteries Na-ion batteries Sodium based batteries High Temperature All-solid-state batteries Redox-flow Plupart ont des degrés de maturation insuffisant

31 Véhicule électrique : de l Arlésienne au boom actuel 1884 (Peugeot "ion ) 1899 (GM "Volt") (Bolloré "Bluecar ) 1942 Renault "Fluence" Toyota "Prius" (Nissan "Leaf ) 2013 Multitude de modèles

32 Le Stockage Stationnaire de l énergie au niveau Mondial: Stockage de masse? 5% Le Stockage Portatif Li ion : 90 % Na-S: MW Pb Acide: MW Ni Cd : MW Li ion : 45 MW (0.036 %) Redox Flow : 3 11 MW Problème essentiel est le Coût 16MWh 100 Tonnes de batteries 70Millions d euros

33 Création du Réseau de recherche et technologie sur le stockage électrochimique de l énergie (RS2E) Couvrir les technologies à ions Li + N elles technologies (Li-air, Li-S, Na-Ion,,) Besoins pour applications réseaux: Bas coût et pas de Maintenance 2013 Li-ion pour des applications niches NaS Na-ion Redox-flow Li-Air 2030

34 Le challenge 2013 (14 TW) Que reste t-il à découvrir dans le domaine du stockage et de la conversion de l énergie??? Doublement Les principes fondamentaux de stockage et de conversion sont connus 2050 (28 TW) Comment stocker et convertir l énergie de façon fiable à grande échelle et à faible coût??? La Solution Nouveaux procédés Meilleurs matériaux Les contraintes Contexte du développement durable Échelle de temps limitée 2050.

35 Comment combattre cette échelle de temps : Dualité Chimie-Théorie Une richesse d éléments Conception de nouveaux adaptées à l application visée Mimer au niveau des matériaux ce qui s est fait pour la génomique Un cauchemar Trop de combinaisons possibles Comment faciliter le choix des gagnantes? Établir un "génome des matériaux"

36 MERCI POUR VOTRE ATTENTION