Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives. «Solutions Technologiques» Cas des Accumulateurs

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1 Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives «Solutions Technologiques» Cas des Accumulateurs

2 Développements au CEA-LITEN 4 marchés principaux adressés CEA-LITEN 900 p. 400 brevets (+160 in 2010) Automobile Habitat Nomade Nouveaux Combustibles Nouvelles Energies pour le Transport Nouvelles Energies pour l Habitat Nouvelles Energies pour le Nomade Energies Issues de la Biomasse Alimentation Electrique Energies Solaires Composants Hybrides Nouveau Combustible Hybridation Piles à Combustible Batteries, Récupération Energie / Stockage Conversion Electrique / Gestion Cellules Photovoltaïques et Thermiques Systèmes Electriques Efficacité Energétique Intégration Bâtiment Micro-Sources d Energie incl. Composants Orga. basés sur les NanoTechnologies Biomasse au liquide, Production Massive d Hydrogène Stockage Hydrogène Plus de 150 personnes développant les batteries Li-ion Depuis les matériaux et leur caractérisation jusqu à la réalisation d électrodes, le prototypage de cellules, les systèmes de gestion des batteries, le test, la modélisation et l ACV, Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives? S. Martinet Séminaire Table DRT Ronde du 19 mars du Mars

3 Batteries pour la mobilité électrique : Une Approche Globale Matériau et procédé Synthèse de Matériaux Optimisation Electrodes Modélisation Prototypage Cellule Systèmes Electriques Système de Gestion de la Batterie Durée de Vie Batterie Caractérisation Batterie Architecture Système Intégration Monitoring Hybridation avec Pile à Combustible Chaîne de Traction Exemple de voitures électriques Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives? S. Martinet Séminaire Table DRT Ronde du 19 mars du Mars

4 Prototypes de cellules Li-Ion CEA: Conception de Batteries Li-Ion A façon on Cellules de 1mAh à 15Ah (100Ah en 2011) Différents Formats (Prism, Cyl, emballage souple ou rigide ) & Architectures et design Spécifiques (bipolaire, cellules minces,...) 1.1 cm 3 Capteurs SAFT chemistry inside 270 cm 3 3.2V - 40 mah -0.01% / cycle LiFePO 4 -B/Graphite Efficicacité > 99% Implants Médicaux 3.7V - 50 mah g 10 années à 37 C 4000 cycles Oxyde Lamellaire/Graphite Tests de sécurité Passés avec Succès Solides soudures Forte Tenue Méca Après Test Au Clou Cellule Surchargée Photovoltaïque 3.2V - 10 Ah Longue Durée de Vie Fonctionnement jusqu à+70 C 7.6 cm 3 Capteur Spatial 3.7V mah Cellule pour les Conditions extrêmes Cartes à Puce, Vêtements Intelligents, Dispositifs Personnels Sécurisés, Packaging, E-livres, Capteurs Autonomes... quelques mah à 800 mah, packaging ultra-fin (< 0.4 mm) 2.3 to 3.7 V; <1g to 45g => Vers des Batteries Li totalement Imprimées VEs 3.3V - 15 Ah Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives? S. Martinet Séminaire Table DRT Ronde du 19 mars du Mars

5 Les Principales Technologies de Stockage Electrochimique: Acide: Accumulateurs au Plomb Alcalins: Accumulateurs Ni-Cd et Ni-MH Source Saft Electrolyte Aqueux Organique: Accumulateurs au Lithium Supercondensateurs Electrolyte Organique Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives? S. Martinet Séminaire Table DRT Ronde du 19 mars du Mars

6 Vue d Ensemble d des Technologies de Batteries Performances en Cellules Unitaires Diagramme de Ragonne pour les Batteries les plus répandues et les Supercondensateurs Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives? S. Martinet Séminaire Table DRT Ronde du 19 mars du Mars

7 Batterie Li-ion env. 20kWh (ex. pour un VE) Matériaux Electrodes Cellules - 70 kg matériau électrode (+) - 15 kg Acier Inox - 5 kg electronique (cables, bus bar ) - 50 kg matériau électrode ( ) - 50 kg Collecteurs Courant (Cu and Al) Module - 30 kg électrolyte et plastiques Système Batterie (260kg,150 litres) Capteurs Boîte Jonction Calculateur Pack (BMS) kg Alu - 5 kg electronique Carter "Service Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives? S. Martinet SéminaireTable DRT Ronde du 19 mars du Mars 2011 raccordement" 7

8 Les Matériaux Stratégiques ou Sensibles en jeu: Acide: Accumulateurs au Plomb Organique: Accumulateurs au Lithium Supercondensateurs Co Ni Li Alcalins: Accumulateurs Ni-Cd et Ni-MH Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives? S. Martinet Séminaire Table DRT Ronde du 19 mars du Mars Co Ni M (LaNi 5 ) Source Saft Electrolyte Aqueux Electrolyte Organique

9 Application aux Accumulateurs Li-Ion: Principe de fonctionnement et composants Electrode Négative: Graphite (Matériau Actif) sur collecteur Cuivre (Cu) Séparateur/Electrolyte: Séparateur PE/PP Electrolyte = Mélange de Carbonates + LiPF 6 Electrode Positive: Oxyde de Cobalt Lithié LiCoO 2 (Matériau Actif) sur collecteur Aluminium Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives? S. Martinet Séminaire Table DRT Ronde du 19 mars du Mars

10 Matériaux Stratégiques des Accumulateurs Li-Ion: Quelles Stratégies Possibles? 1) Cas du Cobalt: matériau à forte valeur ajoutée, recyclabilité prouvée (ex: Umicore) Remplacement par d autres métaux de transition 2) Cas du Lithium: Réserves et ressources exploitables? Viabilité du recyclage? Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives? S. Martinet Séminaire Table DRT Ronde du 19 mars du Mars

12 Exemple de Structure de Coût en Matières Premières d une cellule Li-Ion d Energie (50 à 70% du coût total) Structure coût élément Li-Ion Portable Electrolyte & Séparateur Boîtier Aluminium Couvercle avec Sécurité et Connectique Oxyde de Cobalt Lithié (+) 5% 8% 19% Graphite (-) Divers (collecteurs, liants, solvants) 27% 23% 18% 27% matériau positif (LiCoO 2 ) 18% dispositifs de sécurité et connections Possibilité de Diviser par 3 ces contributions avec un composé bas coût et sûr Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives? S. Martinet Séminaire Table DRT Ronde du 19 mars du Mars

13 Le Cas du Cobalt Prod. Annuelle 2009: 60000T env. 1/3 batteries Réserves Estimées: 6M Tonnes Pack VE (20kWh) => environ 40-50kg Co si LiCoO 2 1M VE/an => T/an Co VE soit > T/an total % en besoin et moins de 50 ans de réserves Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives? S. Martinet Séminaire Table DRT Ronde du 19 mars du Mars

14 Cas du Cobalt: 1 -Recyclage des Accumulateurs Li-Ion Hofors, Suède Olen, Belgique Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives? S. Martinet Séminaire Table DRT Ronde du 19 mars du Mars

15 Cas du Cobalt: 2 Substitution du Matériau d Electrode d Positive Principal Matériau des Accumulateurs Li-Ion Portables LiCoO 2 (LCO) haute densité d énergie bonne durée de vie (>500 cycles) coût + sécurité Oxydes à Base de Co Oxydes à Base de Mn LiMn 2 O 4 (LMO) densité d énergie modérée durée de vie à 25 C bas coût, sécurité renforcée pertes de capacité en cyclage à 55 C LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 (NMC) bonne densité d énergie meilleure durée de vie à HT que le LMO réduction du coût vs LCO bon compromis mais durée de vie suffisante? LiNiO 2, LiNi 1-x M x O 2 (M=Al, Co ) haute densité d énergie forte durée de vie: 1200 cycles stabilité en fin de charge LiNi 0,8 Co 0,15 Al 0,05 O 2 (NCA) Oxydes à Base de Ni Phosphates LiFePO 4 (LFP) énergie réduite vs LCO/NCA/NMC sécurité renforcée réduction de coût vs LCO / NCA moins de retour sur la vie calendaire Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives? S. Martinet Séminaire Table DRT Ronde du 19 mars du Mars

17 Disponibilité du Lithium pour les batteries Li-Ion Chlorure de Lithium : LiCl converti en Carbonate de Lithium : Li 2 CO 3 Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives? S. Martinet Séminaire Table DRT Ronde du 19 mars du Mars

18 Ressources de Lithium Ressources de Lithium Connues : ~30 millions tonnes Réserves de Lithium Exploitables : entre 4 et 16 millions tonnes Répartition par pays : Réserves base de lithium, en kt Canada 360 Australie 260 USA 410 Chili Brésil; 910 Chine 1100 Chili 3000 Bolivie 5400 Argentine Chine Réserves Connues Sources : USGS, SQM Ressources Exploitées Source : W. Tahil, Meridian International Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives? S. Martinet Séminaire Table DRT Ronde du 19 mars du Mars

19 Disponibilité du Lithium pour le marché du Véhicule Electrique Si tout le marché de l automobile avec 70M de véhicules par an basculait au VE avec environ 3kg de Li Métal par VE, les réserves exploitables en Lithium pourraient assurer entre 20 et 75 ans de production suivant les estimations (jusqu en 2050 selon Fraunhofer Institute). Le Recyclage du Lithium permettra d offrir une vue à beaucoup plus long terme Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives? S. Martinet Séminaire Table DRT Ronde du 19 mars du Mars

20 Pour rappel, le Lithium n est pas un poste de coût significatif à sa valeur actuelle Moins de 1% du coût final de la batterie Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives? S. Martinet Séminaire Table DRT Ronde du 19 mars du Mars

21 Conclusions Ni-MH Li-Ion La (LaNi 5 ) et Co Li (LiCoO 2, LiPF 6 ) Co (Co(OH) 2 ) Co (LiCoO 2 ) Recyclage prévu pour NiMH automobile Mise en place d une filière recyclage Li-Ion en cours (capacités actuelles restent réduites) Pour le Li-Ion, la substitution partielle ou totale du Co est étudiée par tous (cas des premières générations de véhicules prévues sur base Mn) Les ressources exploitables du Lithium semblent assurer à minima un avenir à moyen terme Matériaux Stratégiques, Quelles Alternatives? S. Martinet Séminaire Table DRT Ronde du 19 mars du Mars