Technologies batteries Lithium pour VE. Laurent TORCHEUX 18 Juin 2010

Transcription

1 Technologies batteries Lithium pour VE Laurent TORCHEUX 18 Juin 2010

2 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

3 Qu est ce qu une batterie? Système réversible de stockage d électricité Critères clefs : Performances, sécurité, coût, longévité, capacité de charge rapide, recyclage. Électrode positive Électrode Négative Séparateur + électrolyte

4 De la cellule au pack 1 cellule 1 module = plusieurs cellules 1 pack = plusieurs modules + système de gestion électrique, thermique 0,1 kwh 1 kwh 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

5 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)

6 Marché batterie rechargeable Source AABC 2008

7 Performances pour VE > 200 km Autonomie Densité d énergie (Wh/kg) Prix ( /kwh) km > km 25 à km 40 à km 55 à Objectif : 300 Plomb NiCd NiMH Lithium Objectif <300 Lithium avancé Disponible En développement et pré-séries industrielles R & D

8 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

9 Principe et technologies Lithium-ion Électrode négative en carbone Lithium métal polymère Électrode négative en Lithium métallique

10 Principe et technologies Technologie en films minces (50µm) qui sont ensuite assemblés => procédé salle blanche & salle anhydre

11 Les grandes familles de matériaux (Li ion) Matériaux + (cathode) LiCoO 2 Li Ni 0,8, Co 0,15 Al 0, LiMn 2 O 4 LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 LiFePO 4 Abréviation LCO NCA LMO NMC LFP Matériaux (-) Anodes Carbones (graphite/amorphe) Titanates Oxydes/composés métalliques LiC6 LTO Sn, SiC

12 Avantages / inconvénients Oxyde de manganèse sécurité brevet dispo matériaux charge rapide coût faible performance énergétique performance puissance longévité coût du recyclage Oxyde fer phosphate sécurité brevet dispo matériaux charge rapide coût faible performance énergétique performance puissance longévité coût du recyclage Oxyde mixte nickel, cobalt, aluminium sécurité brevet dispo matériaux coût faible performance énergétique performance puissance longévité charge rapide coût du recyclage Aucune technologie ne satisfait toutes les exigences requises. Souvent des mélanges!

13 Performances dans le futur cathode anode tension (V) Wh/kg materiaux max Wh/kg materiaux rev Wh/kg cellule rev Wh/kg pack rev Materiau 5V LiC NCA Sn type 3, Matériaux Haute énergie (372Ah/kg) LiC6 3, Matériaux 5V Haute énergie (372Ah/kg) LiC Matériaux 5V Haute énergie (372Ah/kg) Si F2 Li 5, O2 Li 4, Li-air Pas avant 2020!

14 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..

15 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 ).

16 Un secteur en pleine mutation 5 ) En France : SAFT allié à Johnson Control dans JCS livre des produits de qualité pour l automobile. 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). Dow Kokam (SVE) projet d usine à Vert le petit. 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.

17 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 )

18 Disponibilité des matériaux La disponibilité des matériaux ne devrait pas ralentir l essor du marché si elle est bien anticipée. La 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. L anticipation des capacités d extraction industrielles et la logistique associée sont des facteurs importants mais semblent être bien pris en compte aujourd hui. 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.

19 Disponibilité Lithium Réserves base de lithium, par pays (zones exploitées) = kt Consommation actuelle =14 kt/an 3000 De 3 kg à 12 kg de lithium par batterie de véhicule électrique (20kWh) suivant la technologie De 1 à 5 Milliards de VE hors conflits d usage, prise en compte uniquement des réserves prouvées et sans recyclage. USA Australie Bolivie Brésil Canada Chili Chine

20 Recyclage La 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. Besoin de mise en place de la filière industrielle spécifique (UMICORE, VEOLIA-EDI, SNAM, SRELEC, RECUPYL, ). Des procédés de recyclage sont disponibles pour les batteries lithium portables mais pas forcément adaptés aux nouvelles technologies. Le recyclage des batteries Li ion automobiles sera probablement un coût qui doit être intégré au modèle économique global.

21 «Re-use» Théme important pour l équilibre des modéles d affaires 1ere vie, 2eme vie, 3eme vie 1ere vie % Marché du VE neuf 2eme vie 80-50% Marché du VE Occasion Constructeur auto ou opérateur mobilité 3eme vie 50-0% Marché du stationnaire Valeur de rachat d entrée? Standardisation des packs? Utilité ou opérateur de service ou Collecte / transport /Recyclage Recycleur

22 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 CO 2 eq par rapport un véhicule thermique équivalent. même en considérant un mixte énergétique relativement élevé en CO 2. Standard car 3'7371'461 36'117 Electric car 3'7371'350 1'682 12'748-53% Glider ICE drivetrain El. Drivetrain Battery (300kg) Operation BEV, EU-electricity - 5'000 10'000 15'000 20'000 25'000 30'000 35'000 40'000 45'000 (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)

23 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

24 Coût des batteries Li ion Marché du portable Marché émergent des transports Vers 200 /kwh mais durée de vie courte (moins de cycles, ~ 2ans). Pas d intégration système, problématique sécurité moindre. Aujourd hui «Système batterie pour VE», entre 600 et 1200 /kwh en pack. Evolution à la baisse : vers /kwh au niveau «système» si des effets volumes importants interviennent Marché kve /an/ constructeur VE-150 km (20 kwh) Systéme batterie = 6-8 k euros env.

25 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. Risque inhérent à la qualité de fabrication (CC particules métalliques ) Risque 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.

26 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

27 Normalisation et certification Procédures USABC (Abuse test manual) Manuel ONU d épreuves et de Critéres (TMD) (ST/SG/AC rev ) Norme Européenne NF EN 62281:2004 : sécurité des piles et accumulateurs au lithium pendant de le transport ISO/CD 1205 : Véhicules routiers à propulsion : spécification d essais pour systémes de batteries de traction de type Li ion Norme Internationale (Projet) IEC : Batteries secondaires pour la propulsion des véhicules routiers électriques. Projet de certification volontaire ELLICERT (INERIS)

28 Conclusions

29 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