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1 Les Batteries pour les transports terrestres Etat de l art et perspectives Laboratoire Transports et Environnement Serge PELISSIER Chargé de recherche

2 La batterie est le maillon faible du transport électrique (pas assez d énergie, trop lourde, trop chère,.) Les batteries que tout le monde utilise ou dont tout le monde parle Les batteries dont tout le monde ne parle pas encore Les batteries sauveront-elle le monde? 2

3 Dans la jungle des définitions SOC (State t of Charge) rapport de la capacité actuelle en Ah à la capacité initiale SOC = 100 % : batterie chargée DOD (Depth of Decharge) = 1- SOC BMS : Battery Management system Régime de courant : 1C, 2C,C/2, etc Valeur du courant de la batterie exprimée par rapport à la capacité. 1C est le courant qui décharge la batterie en 1h, 2C est le double Exemple pour une batterie de 8Ah : 1C = 8A ; 2C = 16A ; C/2 = 4A (en charge ou en décharge) 3

4 Dans la jungle des valeurs Puissance maxi en W Il faut préciser à quel SOC, pendant quelle durée, à quelle température, Puissance massique en W/kg et Puissance volumique en W/litre Il faut préciser si l on parle d un élément ou du pack de N éléments avec son BMS, son convertisseur, sa ventilation, Idem pour l énergie massique (Wh/kg) et volumique (Wh/litre) et idem aussi pour le prix!!! 4

5 Les 3 principales forces en présence Source NREL DOE USA : Batteries choice for PHEV 5

6 Les chiffres characteristics energy storage energy power number of cycles efficiency temperature cost technology [Wh/kg] [Wh/l] 80% DoD [%] range [ C] [ /kwh] flooded alk kaline PbAC lithium based VRLA compressed NiCd power energy NiZn NiMH power energy LiIon power energy LiPolymer ultracap power k - 1M energy k - 1M flywheel power k - 50k [ /kw] life k - 100k [ /kw] Lithium polymère = Lithium métal polymère Source EDF kwh (130 km) : Pb : 400 kg 3000 ; Lithium : 130 kg

7 Le dessin Source : 7

8 Une suprématie actuelle du NiMH 8

9 Les atouts du Lithium-ion Matériaux de l anode Graphite lithié (LiC 6 ) ou Titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) ou Silicium - La nano-structuration des matériaux influe sur les mécanismes d insertion des ions Matériaux de la cathode Oxydes de Lithium + e - Cobalt, Manganèse, Nickel, Fer-Phosphate, Vanadium, + Anode graphite lithié Cathode Li + Li M O 2 (Oxyde de Lithium) Li x C C + x.li + + x.e - Li 1-x MO 2 + x.li + + x.e - LiMO 2 Li x C + Li 1-x MO 2 C + LiMO 2 ( Décharge de la batterie ) 9

10 Les matériaux d aujourd hui et de demain Source : Institute of Transportation Studies University of California Davis, CA rapport UCD-ITS-RR-08-14, may

11 Une comparaison des familles de Lithium-ion Source : Batteries for electrics cars, Boston Consulting Group

12 Les nanotechnologies, le titanate et le Lithium-ion Altairnano annonce une batterie qui durera plus longtemps que le véhicule Titanate nanostructuré : 30 fois plus de surface pour un même volume Titanate : et aussi Toshiba, le CEA,. 12

13 Les nanotechnologies, le silicium et le Lithium-ion Le silicium peut accepter 10 fois plus d ions Li+ que le carbone Non chargé 2 µm Chargé Source : Amprius 2 µm Source : Yi Cui 13

14 Les nanotechnologies, le silicium et le Lithium-ion (bis) Des alternatives aux nanotubes, moins chères à réaliser Source : Lockheed Martin and Rice University Source : High-performance lithium-ion anodes using a hierarchical bottom-up approach. A. Magasinski, P. Dixon, B. Hertzberg, A. Kvit, J. Ayala & G. Yushin. Nature Materials, Volume: 9 (2010) 14

15 Pour aller encore plus loin avec du Lithium La batterie Lithium-air : Très forte densité énergétique théorique (comparable à celle de l essence) Nombreux problèmes à résoudre (stabilité, charge, ) La batterie Lithium organique : Une cathode en Li 2 C 6 O 6 présente de bonne caractéristique en énergie massique, mais des faiblesses en puissance. Fort intérêt «environnemental». Source : JM TARASCON - Li-ion Batteries: Recent advances and future trends

16 Pour en finir avec le Lithium Des progrès indispensables à faire : La maîtrise de la durée de vie (GM Volt : Garantie de 8 ans???) Le prix ( $/kWh objectif $/kWh ) La sécurité Les perspectives de recherche en électrochimie et en sciences des matériaux permettent d entrevoir des solutions pour des batteries au Lithium encore plus performantes. Il est permis de penser (de croire?) que des produits industriels vont «bientôt» pouvoir être diffusés «massivement». 16

17 Mais Un bilan environnemental global (dust to dust) des filières de batteries doit être réalisé. Controverse sur les ressources de lithium et les capacités de production (impacts sur l environnement et sur le prix des matériaux) Des études montrent que même la technologie la plus «propre» imaginable ne permet d atteindre que la moitié des objectifs français de diminution en émission de CO 2 (le fameux facteur 4) (Y. Crozet, LET-ENERDATA, Prospectives 2050 pour le PREDIT) 17

18 Et la recharge rapide Recharge rapide : puissance du réseau? Echange de batteries : gestion g du stock? Vu le nombre d utilisateurs potentiels, le coût d une infrastructure de charge rapide peut-il être justifié? 18

19 Ne pas attendre la batterie miraculeuse! D ailleurs, combien de temps peut-on encore attendre avant de faire quelque chose? Merci de votre attention 19

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