Les recherches du CEA sur les batteries pour véhicules électriques 14 septembre 2010

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1 Les recherches du CEA sur les batteries pour véhicules électriques 14 septembre 2010 CONTACTS PRESSE : CEA / Service Information-Media Tuline LAESER Tél. : [email protected] Stéphane LAVEISSIERE Tél. : [email protected] CEA Saclay / Siège Direction de la Communication Service Information-Média Gif-sur-Yvette Cedex Tél. : (33) Fax : (33)

2 Sommaire : Les recherches du CEA sur les batteries pour véhicules électriques Introduction La R&D sur le véhicule électrique répond aux enjeux énergétiques du futur Une R&D en appui des industriels de l automobile Quelques repères sur les accumulateurs Principe de fonctionnement des accumulateurs (Lithium-ion) Les données caractéristiques d un accumulateur Les avantages de la filière Lithium-ion Bref historique des technologies d accumulateurs De la technologie nickel-métal hydrure (NiMH) à la technologie Lithium-ion (Li-ion) La R&D du CEA pour les véhicules électriques / hybrides La R&D sur les accumulateurs La R&D sur l électronique et les organes de sécurité La R&D sur la mobilité durable Perspectives d évolution à moyen/long terme Présentation de la plate-forme STEEVE Une plate-forme conçue pour travailler avec les industriels Une offre cohérente pour répondre à tous types de besoins ANNEXES Comment fabrique-t-on un accumulateur? Présentation de l Institut Liten Présentation de l INES Photos de couverture, de gauche à droite : - Fabrication d électrodes pour batteries lithium-ion (étape de calandrage) PF.Grosjean/CEA - Salle anhydre au CEA Grenoble - PF.Grosjean/CEA - Instrumentation d une Renault Kangoo électrique - CEA

3 Introduction En soutien des politiques visant à renforcer l indépendance énergétique et à accroître la part des énergies décarbonées dans le bilan énergétique français, le CEA développe depuis une dizaine d années un programme de recherche en faveur des Nouvelles technologies de l énergie (NTE). Le savoir-faire acquis historiquement dans des domaines connexes à l énergie nucléaire sciences des matériaux et microélectronique, en particulier explique l implication de l organisme dans les NTE. De plus, le CEA est devenu début 2010 le «Commissariat à l énergie atomique et aux énergies alternatives», traduisant ainsi cette évolution et la volonté de l Etat de soutenir davantage encore l essor des énergies renouvelables. Les objectifs du programme NTE se situent à trois niveaux différents : - autour de la production d électricité, proposer des sources complémentaires de production d énergies renouvelables, et des solutions de stockage et de gestion des réseaux ; - viser des solutions technologiques viables à échelle industrielle ; - cibler les usages qui font l objet des contraintes les plus fortes : bâtiment et transports. Sur la problématique transports, le CEA mène ainsi depuis les années 2000 une R&D sur les batteries et les piles à combustible pour les véhicules électriques et hybrides. La R&D sur le véhicule électrique répond aux enjeux énergétiques du futur En France, les transports sont responsables pour une part importante de la dépendance énergétique. En 2009, la consommation d énergie finale du secteur des transports était de près de 50 Mtep, dont 46,2 Mtep de produits pétroliers majoritairement importés, soit près de 70% de la consommation finale de pétrole. Par ailleurs, le transport routier est à l origine de plus de 90% des émissions de CO 2 du secteur des transports, et à hauteur de 50% pour les seuls véhicules particuliers. Cela équivaut, en millions de tonnes de CO 2 émis, à 110/120 MtCO 2, sur un total, tous secteurs confondus (énergie, bâtiment, industrie, agriculture ) de près de 380 MtCO 2 (sources : chiffres du MEEDDM 2007 et 2008). C est pourquoi le développement du véhicule propre fait partie des priorités des politiques publiques, en réponse aux défis de l énergie et du réchauffement climatique. Le Conseil européen de mars 2007 a annoncé les objectifs climatiques dits «3 x 20» à l horizon 2020 : 20% d énergies renouvelables dans les énergies consommées, amélioration de 20% de l efficacité énergétique, et réduction de 20% des émissions de gaz à effet de serre (GES) par rapport à En France, le Grenelle de l environnement a rappelé l objectif de diviser par 4 les émissions de GES d ici 2050 («facteur 4»), notamment en développant les transports peu émetteurs de GES et via une politique énergétique incitant à la réduction des consommations. 3/26

4 La Stratégie nationale de développement durable , adoptée en juillet 2010, souligne la nécessité, pour le secteur des transports, d «encourager la recherche et le développement sur les motorisations avec un objectif de véritable rupture technologique.» photo : visite de M. Sarkozy à l INES, en juin Service photo Elysée D.Noizet Il semble très difficile d obtenir, même à moyen terme, les performances du moteur thermique sur les nouvelles motorisations hybrides ou 100% électriques. Cela étant, le concept de mobilité durable, où différentes solutions technologiques sont proposées en parallèle pour différents usages, est retenu par les pouvoirs publics comme par la plupart des industriels de l automobile. Le CEA s inscrit dans cette évolution et propose une R&D adaptée aux besoins des industriels, prenant en compte notamment les contraintes d utilisation du produit final. Une R&D en appui des industriels de l automobile Les activités de R&D sur le véhicule électrique font l objet de nombreux échanges entre les acteurs de la recherche et de l industrie : la coordination des moyens est un souhait de l ensemble des acteurs, soutenu par les politiques publiques. Côté recherche, le CEA fait partie du «Réseau national de recherche et technologie sur les batteries», créé en juillet 2010 pour favoriser l innovation sur les technologies de stockage électrochimique. Ce réseau regroupe les principaux acteurs de la recherche publique (CEA, CNRS et universités, IFP Energies nouvelles, INERIS 1, INRETS 2 ) et les industriels, autour de deux «centres» : - l un sur la recherche amont coordonné par le CNRS ; - l autre sur la recherche technologique, piloté par le CEA. Le réseau permet aux industriels d accéder directement à l ensemble des découvertes et des brevets et de nouer des partenariats avec un ou plusieurs laboratoires qui y participent. Le volet «recherche technologique» du réseau se fonde en grande partie sur le centre CEA de Grenoble. Les recherches et les infrastructures qui y sont développées depuis une dizaine d années bénéficient en effet de l expérience acquise dans les sciences des matériaux : métalliques, polymères ou organiques, solides ou liquides, jusqu à l échelle nanométrique. Depuis 2009, le CEA est engagé dans un fort développement de ces activités de R&D sur les véhicules électriques et hybrides. Actuellement, près de 150 personnes travaillent sur cette thématique au CEA-Liten (Laboratoire d innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux). De nouvelles infrastructures sont mises en place, dans un but prioritaire de soutien aux industriels de l automobile. 1 INERIS : Institut national de l environnement industriel et des risques. 2 INRETS : Institut national de recherche sur les transports et leur sécurité. 4/26

5 Ainsi, une plate-forme de R&D a été créée en 2009 pour faciliter les partenariats avec l industrie. La plate-forme STEEVE (pour Stockage d Energie Electrochimique pour Véhicules Electriques), installée au CEA Grenoble et à l INES (Institut National de l Energie Solaire, à Chambéry), a été conçue pour ouvrir aux industriels intéressés la R&D de toute la filière batteries électriques, depuis la synthèse des matériaux en passant par la conception et la fabrication des batteries, jusqu aux tests de performances et démarches de certification. Parallèlement, des collaborations sont engagées avec des industriels de l automobile : accord de R&D avec Renault, partenariat sur la mobilité solaire avec Toyota, recherches sur la pile à combustible avec le groupe PSA. La stratégie du CEA consiste à proposer aux industriels des programmes de R&D sur toute la filière du véhicule électrique/hybride, afin que ceux-ci puissent retenir les solutions techniques les plus abouties. Ce dossier présente donc l organisation et les moyens mis en place par le CEA pour accélérer l industrialisation des batteries pour véhicules électriques, les pistes privilégiées par les chercheurs et les perspectives de développement. 5/26

6 Quelques repères sur les accumulateurs Li-ion Les accumulateurs et les piles sont des systèmes permettant de stocker de l énergie électrique sous forme chimique. L accumulateur est basé sur un système électrochimique réversible, c est-à-dire qu il est rechargeable, contrairement à la pile. Le pack batterie est un assemblage de modules identiques, eux-mêmes assemblages de cellules élémentaires. Au sein du pack batterie, les accumulateurs sont reliés et gérés par une électronique de contrôle qui permet d optimiser la charge et la décharge et de prolonger la durée de vie. Photo : assemblage d un pack de batteries lithium. P.Avavian/CEA Principe de fonctionnement des accumulateurs (Lithium-ion) : Les accumulateurs / batteries contiennent des réactifs chimiques qui, une fois activés, permettent de fournir de l électricité à la demande. L énergie électrique fournie par ces réactions électrochimiques est exprimée en watt*heure (Wh). Ces réactions sont activées au sein d une cellule élémentaire, entre deux électrodes baignant dans un électrolyte, lorsqu une charge électrique est branchée à ses bornes (un moteur électrique par exemple). Le courant circulant à partir des bornes de l accumulateur constitue le «circuit externe». La technologie Li-ion consiste à utiliser la circulation électrochimique de l ion lithium dans deux matériaux et à des valeurs de potentiel différentes : l électrode positive et l électrode négative constituent les deux potentiels d oxydoréduction, et la différence de potentiel crée la tension au sein de la batterie. En cours d utilisation (l accumulateur se décharge), l électrode négative relâche le lithium sous forme ionique Li+ : les ions Li+ migrent vers l électrode positive, via l électrolyte conducteur ionique ; le passage de chaque ion Li+ au sein de l accumulateur est compensé par le passage d un électron dans le circuit externe, en sens inverse : c est ce qui crée le courant électrique faisant fonctionner le moteur du véhicule. Il y a courant électrique jusqu à ce qu il n y ait plus de lithium au sein de l électrode négative : l accumulateur est alors déchargé et son rechargement se fait selon le processus inverse. Dossier de presse : Les recherches du CEA sur les batteries pour véhicules électriques, 30/09/ /26

7 Les données caractéristiques d un accumulateur : Les principales caractéristiques d un accumulateur sont les suivantes : - la tension, exprimée en volts (V), correspond au potentiel d oxydo-réduction entre les deux électrodes de la batterie. - la charge électrique est la quantité d électrons que peut contenir l accumulateur, elle se mesure en ampère-heure (Ah). La capacité de charge électrique correspond à la charge maximale fournie par l accumulateur, c est-àdire entre le moment où il est chargé à sa pleine capacité et le moment où il est complètement déchargé (cycle complet de décharge) ; pour certaines technologies employées, cette capacité diminue progressivement au fur et à mesure des cycles de l accumulateur (vieillissement). - alors que la charge électrique n est comparable que pour des tensions égales, la notion d énergie stockée permet de comparer différents types d accumulateurs / batteries de tensions différentes ; elle se mesure en wattheure (Wh). Les performances d un accumulateur, quelle que soit la technologie utilisée, sont pour l essentiel définies par trois critères : La densité d énergie massique (ou volumique), en wattheure par kilogramme, Wh/kg (ou en wattheure par litre, Wh/l), correspond à la quantité d énergie stockée par unité de masse (ou de volume) d accumulateur. Elle va définir son autonomie. La densité de puissance massique, en watt par kilogramme (W/kg), représente la puissance (énergie électrique fournie par unité de temps) que peut délivrer l unité de masse d accumulateur. Ce critère donne une idée de la conductivité intrinsèque de l'accumulateur, qui doit offrir le moins de résistance possible au courant. La cyclabilité, exprimée en nombre de cycles, caractérise la durée de vie de l accumulateur, c est-à-dire le nombre de fois où il peut restituer un niveau d énergie supérieur à 80 % de son énergie nominale, cette valeur étant celle la plus souvent demandée pour les applications mobiles. 7/26

8 Les avantages de la filière Lithium-ion Bref historique des technologies d accumulateurs : Jusqu à la fin des années 1980, les deux principales technologies répandues sur le marché étaient les accumulateurs au plomb (pour le démarrage des véhicules, notamment) et les accumulateurs nickel-cadmium NiCd. Dans la technologie au plomb, les réactions chimiques impliquent l oxyde de plomb constituant l électrode positive et le plomb de l électrode négative, toutes deux plongées dans une solution d acide sulfurique qui constitue l électrolyte. La technologie au plomb comprend plusieurs inconvénients : poids, fragilité, utilisation d un liquide corrosif. Cela a conduit au développement d accumulateurs alcalins, de plus grande capacité (quantité d électricité restituée à la décharge) mais développant une force électromotrice moindre (différence de potentiel aux bornes du système en circuit ouvert). Leurs électrodes sont soit à base de nickel et de cadmium (technologie NiCd), soit à base d oxyde de nickel et de zinc, soit à base d oxyde d argent couplé à du zinc, du cadmium ou du fer. Toutes ces technologies utilisent une solution de potasse comme électrolyte. Elles se caractérisent par une grande fiabilité, mais leurs densités d énergie massique restent relativement faibles (30 Wh/kg pour le plomb, 50 Wh/ kg pour le nickel-cadmium). Au début des années 1990, avec la croissance du marché des équipements portables, deux nouvelles filières technologiques ont émergé : les accumulateurs nickel-métal hydrure (NiMH) et les accumulateurs au lithium (Li). Les premiers, utilisant une électrode positive à base de nickel et une électrode négative constituée d un alliage absorbant l hydrogène, toutes deux plongées dans une solution de potasse concentrée, atteignent une densité d énergie massique de +/- 80 Wh/kg, supérieure d au moins 30% à celle des accumulateurs NiCd. La technologie NiMH, qui équipe aujourd hui la plupart des véhicules hybrides en circulation - Honda et Toyota notamment -, offre plusieurs avantages par rapport aux technologies précédentes : - elle ne contient ni cadmium ni plomb, deux matériaux très polluants ; - elle permet de stocker plus d énergie que le NiCd ; - elle est moins sensible à l effet mémoire. De la technologie nickel-métal hydrure NiMH- à la technologie Lithium-ion -Li-ion- : La filière Lithium a fait l objet de travaux vers la fin des années 1970, dans la perspective de trouver des «couples électrochimiques» présentant de meilleures performances que les accumulateurs au plomb ou au nickelcadmium employés jusque-là. Les premiers modèles ont été conçus avec une électrode négative à base de lithium métallique (filière lithium-métal). Cette technologie s est heurtée à des problèmes liés à une mauvaise reconstitution de l électrode négative de lithium au cours des charges successives. Vers le début des années 1980, des recherches ont été entreprises sur un nouveau type d électrode négative à base de carbone, utilisé comme composé d insertion du lithium. Les fabricants d équipements portables, en particulier les industriels japonais, ont considéré cette source d énergie comme faisant partie des composants stratégiques pour l avenir. Au début des années 1990, ces premiers accumulateurs «Lithium-ion» offraient des performances limitées à 8/26

9 environ 90 Wh/kg. Depuis, celles-ci se sont notablement améliorées (jusqu à 200 Wh/kg aujourd hui), grâce, d une part, aux progrès technologiques réalisés (diminution de la part inutile dans le poids et le volume des accumulateurs) et, d autre part, à l optimisation des performances des matériaux. De tous les systèmes de stockage d énergie rechargeables, les accumulateurs Li-ion sont aujourd hui ceux qui offrent les meilleures performances : 400 à 550 Wh/L et 140 à 200 Wh/kg pour une tension nominale d environ 3,7 V, et dans une gamme de température de fonctionnement étendue (- 20 à + 65 C). Ni-Cd (nickelcadmium) Ni-MH (nickel métal hydrure) Pb (plomb) densité d'énergie massique (Wh/kg) temps de charge (minutes) Densités d énergie massique et temps de charge comparés des principales familles d accumulateurs. La filière Li-ion s élargit ainsi aux applications transports. Les premières voitures hybrides équipées de cette technologie ont été commercialisées en ; il s agit de voitures haut de gamme des constructeurs Mercedes-Benz et BMW, car cette technologie est encore chère. Elle équipera également la Nissan Leaf (avec oxyde de manganèse Cf. plus loin par. sur les électrodes) ou la Mitsubishi IMiev (avec cobalt - Cf. plus loin). Les accumulateurs Li-ion présentent ainsi plusieurs avantages : ils présentent une haute densité d énergie pour un poids relativement faible ; ils offrent une meilleure sécurité que la filière lithium-métal ; ils ne présentent aucun effet mémoire, contrairement aux accumulateurs à base de nickel, ainsi qu une faible autodécharge (5 à 10% par mois) ; comme les accumulateurs NiMH, ils ne nécessitent pas de maintenance, à la différence des accumulateurs acide-plomb Li-ion HEV Specific Power (W/kg) Supercapacitors Wound Lead/acid Ni-Cd Ni-MH Li-ion (Power) Li-polymer Li-ion (Energy) EV Lead/Acid Specific energy (Wh/kg) Le graphique ci-dessus montre les bonnes performances de la technologie Lithium-ion, en termes de densité de puissance massique (ordonnées) et de densité d énergie massique (abscisses). Deux zones correspondent au Li-ion, en jaune. Cela est dû au fait que différentes chimies d électrodes et différents designs existent, qui correspondent à différentes applications : on privilégiera la densité de puissance pour des véhicules hybrides (pour une recharge plus rapide), et la densité d énergie pour des véhicules 100% électriques (recherche d autonomie). 9/26

10 La R&D du CEA pour les véhicules électriques / hybrides Très répandue pour les applications portables, la technologie lithium-ion commence à arriver sur le marché automobile. La plupart des batteries lithiumion commercialisées sont composées d'une électrode positive à base d'oxyde de lithium et de cobalt et d'une électrode négative en graphite. Cela permet d'emmagasiner des quantités intéressantes d'énergie à chaque charge, mais cette combinaison a un coût élevé et l utilisation de cobalt n est pas optimale en termes de sécurité. En vue d abaisser le coût de ces technologies, de les rendre sûres et les plus fiables possible, le CEA développe de nouveaux couples électrochimiques (électrode positive/électrode négative). Ces travaux de recherche doivent respecter un cahier des charges très contraignant en termes de performances : - une durée de vie de plusieurs milliers d heures de fonctionnement ; une donnée moyenne pourrait être de cycles en heures (charge et décharge de 2h30 chacune) mais les objectifs visés dépendent du régime de charge / décharge et peuvent aller au-delà ; - une autonomie, pour le véhicule tout électrique, de 300 km pour 100 kg de batteries. 1- La R&D sur les accumulateurs : Pour les accumulateurs Lithium-ion, deux voies de recherche peuvent être distinguées selon les objectifs visés : D une façon générale, le gain en densité d énergie s obtiendra en jouant sur la nature chimique des matériaux d électrodes. La densité d énergie déterminera en particulier l autonomie des batteries : ce critère profitera donc surtout aux véhicules 100% électriques. En parallèle, le gain en puissance bénéficiera davantage des avancées sur l architecture et la structuration de la batterie. Cette notion de densité de puissance détermine, elle, la vitesse à laquelle l accumulateur va se recharger. Ici, c est plutôt la motorisation hybride qui est visée : on cherche à ce que le moteur thermique puisse recharger le plus rapidement les batteries pour passer en mode électrique dès que nécessaire. Le CEA-Liten a déposé plusieurs brevets concernant le développement de matériaux comme le phosphate de fer et l oxyde de titane. Il peut ainsi proposer de nouvelles générations d accumulateurs lithium-ion bas coût à forte sécurité intrinsèque, pour des besoins soit de forte densité d'énergie (véhicule électrique), soit de forte puissance (véhicule hybride). Développement de nouveaux matériaux d électrodes Actuellement, le coût matière d un accumulateur Li-ion (environ 80 % du coût de la batterie) est affecté à 25 % par le coût de l oxyde de cobalt (LiCoO 2, matériau à l électrode positive de l accumulateur) et à 25 % par les organes de sécurité, rendus nécessaires par la forte réactivité à haute température de ce composé. - Pour l électrode positive, la voie privilégiée est donc de développer le matériau «phosphate de fer lithié» (LiFePO 4 ). Son utilisation dans une nouvelle génération d accumulateurs conduirait à une réduction de 50% du coût du 10/26

11 KWh : en raison d une part de son coût (1/3 de celui du cobalt), qui permet de réaliser de fortes économies sur des packs batteries automobile destinés à être fabriqués en série ; grâce d autre part à la suppression de certains organes de sécurité du fait de sa grande stabilité chimique et électrochimique : la stabilité thermique des accumulateurs au phosphate de fer lithié, éprouvée sur les bancs de tests du CEA-Liten et de l INES, est supérieure à celle des autres composés, un avantage primordial pour les véhicules électriques dont la quantité de batteries est importante. En revanche, un verrou important de cette famille de composés réside dans sa faible conductivité électronique, rendant difficile son utilisation en batterie. En optimisant sa composition et le procédé de fabrication, le CEA-Liten a réussi à stabiliser les performances du phosphate de fer à température ambiante (160 mah/g à 23 C à comparer à la référence LiCoO 2 à 150 mah/g). Pour atteindre ces résultats, le CEA-Liten a mis aux points différentes méthodes de synthèse du matériau, qui font l objet de dépôts de brevets. Les méthodes proposées par le CEA répondent aux exigences de modularité et de forte capacité de stockage propres à la technologie Lithium-ion ; surtout, ces matériaux sont non-toxiques, moins chers (bien que dépendant des cours des métaux), et ne créent pas d'emballement thermique dans les accumulateurs. Au CEA Grenoble, les chercheurs testent en conditions réelles ces types d accumulateurs. Sur une Citroën AX équipée de trois packs batteries nickelcadmium (NiCd) d un poids de 280 kg, les conducteurs parvenaient à rouler sur 60 km en usage urbain (l autonomie théorique de la voiture était de 100 km). En remplaçant ces trois packs batteries par deux packs LiFePO 4, d un poids total de 140 kg, la voiture parvient à rouler sur 90 km dans les mêmes conditions de circulation. Photo : deux chercheurs analysent des données sur la Citroën AX. P.Avavian/CEA - Au niveau de l électrode négative, le CEA-Liten cherche à développer les accumulateurs Li-ion au-delà de 300 Wh/kg (doublement de la capacité actuelle) en exploitant des matériaux d électrodes nanostructurés, notamment à base de silicium. Ces nouveaux matériaux permettent d augmenter l autonomie des batteries sans conséquence sur le coût, alors que les électrodes actuelles en graphite ne répondent pas aux exigences de durée de vie pour les applications automobile. Pour les véhicules hybrides, le CEA-Liten travaille à l introduction d un oxyde de titane à l électrode négative en remplacement du graphite, pour permettre des charges rapides complètes en quelques minutes (il s agit d une recharge par le moteur thermique, en cours d utilisation). Les résultats obtenus sont probants : stabilité de l accumulateur soumis à 2000 cycles charge rapide (70 % de la capacité chargée en 3 minutes) décharge rapide (2 minutes). 11/26

12 Une architecture plus performante Par ailleurs, pour remédier aux faibles tensions observées avec ces matériaux, le CEA a développé et breveté une architecture «bipolaire» qui augmente la tension aux bornes de l'accumulateur. Cette configuration permet la mise en série d'éléments en utilisant un collecteur de courant commun entre l'électrode positive et l'électrode négative, les collecteurs de courant délimitant par ailleurs des compartiments électrolytiques distincts. L intérêt des nanomatériaux pour les accumulateurs Dans tous les types d accumulateurs, la composition et la structuration des matériaux «actifs» des cellules élémentaires (les deux électrodes et l électrolyte, où ont lieu les réactions électrochimiques) déterminent les performances de l ensemble. Depuis plusieurs années, les fabricants ont de plus en plus recours aux nanomatériaux, qu il s agisse de matériaux nanométriques le matériau est lui-même à l échelle nanométrique ou matériaux nanostructurés le matériau est d une plus grande taille mais ses propriétés sont modifiées par des inclusions, des revêtements ou une structure particulière de taille nanométrique -. Les nanomatériaux apportent différents avantages : - Augmentation de la surface de contact électrode/électrolyte, pour permettre de forts régimes de charge/décharge ; - Raccourcissement des «parcours» électrochimiques, permettant l utilisation de matériaux faiblement conducteurs ioniques et/ou l application de régimes charge/décharge importants ; - Meilleure résistance mécanique des particules aux changements de volume induits par l insertion/désinsertion des ions Li+ (charges/décharges) : cela est particulièrement vrai pour l emploi du silicium en électrode négative. Au-delà de cet effet de taille, l intérêt des nanomatériaux est considéré selon les critères suivants : - Les changements de comportement observés sur un même matériau lorsque l on descend à l échelle nanométrique ; - Les facilités/contraintes de fabrication liées au passage à l échelle nanométrique ; - La nécessité de conserver une certaine densité d énergie massique et volumique pour les accumulateurs lithium : les chercheurs doivent trouver l équilibre entre nanomatériaux et matériaux «périphériques» (liants polymères, carbone ). De fait, l utilisation de nanomatériaux dans les accumulateurs Li-ion devient incontournable, mais pas systématique ; elle intervient pour résoudre certaines limitations de matériaux «massifs» ou pour mieux exploiter certaines de leurs propriétés. 12/26

13 La R&D au niveau de l électrolyte L électrolyte (liquide le plus souvent) est le solvant qui assure le transport des ions. Les électrolytes commercialisés actuellement offrent déjà une fiabilité satisfaisante, sur une gamme de températures allant de -20 C à +50 C. Endeçà, l électrolyte aura tendance à se cristalliser, au-delà il aura tendance à se dégrader (formation de gaz). Les progrès réalisables ne constituent donc pas un enjeu prioritaire, hormis en vue de leur tenue dans certaines régions aux climats extrêmes. Le CEA travaille également sur des électrolytes stables à haute tension, de l ordre de 5 V, à comparer aux valeurs de 3,5 à 4 V obtenues à partir des électrodes actuelles. En parallèle des recherches sur des tensions d électrodes plus élevées au CEA de Grenoble, qui permettraient d emmagasiner davantage d énergie (autonomie), les chercheurs du centre CEA du Ripault 3 travaillent avec leurs collègues de Grenoble à la mise au point des solvants plus stables. 2- La R&D sur l électronique et les organes de sécurité Autour des éléments électrochimiques des accumulateurs, une part importante de la R&D du CEA cible l électronique de gestion des accumulateurs, ce que les chercheurs appellent le «Battery Management System» (BMS). Photo : développement de l électronique sur l un des véhicules électriques du parc CEA / INES. CEA-Liten Les enjeux d un «Battery Management System» : L électronique installée dans un pack batteries doit répondre à différents impératifs en vue de l utilisation courante d un véhicule électrique : tout d abord garantir la sûreté des accumulateurs, optimiser leurs performances, permettre la maintenance du système et donner les informations pertinentes au conducteur. - Garantir la sécurité des accumulateurs : un accumulateur est un système au sein duquel se produisent en continu des réactions chimiques. A côté de la sélection des meilleurs «couples électrochimiques», il est nécessaire d instrumenter le système afin de prévenir toute réaction dangereuse. Le CEA étudie et développe par exemple des capteurs permettant d anticiper une surchauffe du système. - Optimiser les performances : la principale tâche de l électronique consiste ici à équilibrer le niveau de charge de tous les accumulateurs durant les cycles charges/décharges que va subir le pack batteries. Celui-ci est en effet constitué d une série d accumulateurs, qui peuvent avoir un comportement en charge/décharge différent de l un à l autre ; il faut s assurer qu un élément ne va 3 Le centre CEA du Ripault est situé près de Tours (Indre-et-Loire) ; ce centre de la Direction des applications militaires est spécialisé, notamment, dans les matériaux. 13/26

14 pas bloquer les autres en seuil de tension haute (charge) ou de tension basse (décharge). L objectif final est d optimiser le rendement du pack batteries : l électronique a ici une fonction économique. - Permettre la maintenance : il s agit ici d instrumenter les packs batteries pour informer le garagiste de leur degré d usure et des éventuelles défaillances. Des programmes sont également développés pour permettre, le cas échéant, de mettre «hors circuit» un élément défaillant sans bloquer les autres pour autant (le choix de réparer ou de remplacer l élément défaillant relève ensuite de la stratégie du constructeur automobile). - Informer l utilisateur : l autonomie du véhicule, liée à la quantité d énergie que peut délivrer le pack batteries, dépend d un nombre de paramètres beaucoup plus important que pour un véhicule thermique. Doivent être pris en compte le type de trajet (urbain, autoroute ), le profil de la route (plat, montagne), les conditions météo et l environnement (fonctions d essuie-glaces, de chauffage, d éclairage qui vont fortement influencer les consommations électriques). Il s agit donc de renseigner au mieux l utilisateur, en toutes circonstances, des performances qu il peut attendre du véhicule. Pour illustration, la seule optimisation du «Battery Management System» de la Citroën AX testée à Grenoble permet de faire passer l autonomie du pack batteries (140 kg LiFePO 4 ) de 90 km à 100 km, soit un gain de plus de 10%. Les moyens mis en œuvre : Trois instituts du CEA sont mis à contribution sur ces problématiques : le CEA- Liten qui coordonne les activités de R&D sur le véhicule électrique et hybride, le CEA-Léti (Laboratoire d électronique et de technologies de l information) pour son expertise en électronique, en capteurs et en miniaturisation, le CEA-List (Laboratoire d intégration des systèmes et des technologies) pour les capteurs, les logiciels et les systèmes. Il s agit : de développer des capteurs de tension, de courant, de température, et de les intégrer dans le pack batterie (miniaturisation) ; de mettre au point des dispositifs de pilotage du pack batterie, pour assurer la sécurité et optimiser les performances ; de développer de «l intelligence embarquée» pour renseigner sur l état de charge (énergie disponible) et pour faciliter la maintenance. Sur ce point, il faut notamment mettre au point des logiciels dont les algorithmes sont basés sur des modèles physiques et mathématiques particulièrement complexes. Photo : instrumentation d une voiture électrique. P.Avavian/CEA 14/26

15 3- La R&D sur la mobilité durable A l INES (Institut National de l Energie Solaire, à Chambéry), les chercheurs étudient différents concepts de «mobilité durable», dans lesquels l alimentation du véhicule électrique / hybride est intégrée à la gestion du réseau d électricité. Plusieurs projets sont développés, en lien étroit avec l électricité d origine photovoltaïque, domaine d expertise de l Institut. Les chercheurs étudient en particulier le concept de la «mobilité solaire» qui consiste à utiliser des systèmes de production d électricité photovoltaïque pour la recharge de véhicules électriques ou hybrides rechargeables, en lien avec la gestion des réseaux électriques de l habitat, des bâtiments tertiaires et à terme, du réseau public de distribution. (Smart Grid ou V2G : Vehicle to Grid) Un projet «mobilité solaire» avec Toyota A l INES, Le CEA mène depuis 2009 un projet de démonstration avec le constructeur automobile Toyota, dont l objectif est de démontrer la pertinence de la recharge solaire pour les véhicules hybrides rechargeables. Deux stations solaires ont été construites et dix véhicules hybrides rechargeables sont utilisés. Ces stations de recharge solaire sont connectées au réseau public de distribution afin d une part, de garantir la recharge des véhicules en cas d absence de ressource solaire et d autre part, pour renvoyer l énergie en surplus sur le réseau lorsque peu de véhicules sont connectés. Photo : le parking solaire sur le site de l INES, à Chambéry. INES Dix Toyota Prius hybrides font l objet de tests sur les deux stations de recharge solaire, l une situé à l INES à Chambéry, l autre sur le centre CEA de Grenoble. - Les 10 véhicules testés sont des prototypes Toyota, proches des Prius hybrides commercialisées. La différence tient dans le fait que ces prototypes sont rechargeables et qu ils ont une autonomie en «tout électrique» d un peu plus de 20 km (sur batteries Li-ion). 7 Toyota sont testées à Chambéry, 3 à Grenoble. - Les 2 parkings solaires sont des «ombrières» recouvertes de panneaux photovoltaïques. A l INES, elles abritent 12 places de parking, soit 150 m 2 de surface ; à Grenoble, elles abritent 6 emplacements, soit 100 m 2 de surface. A partir d hypothèses «basses», déterminées selon une orientation solaire volontairement peu favorable et selon une consommation électrique théorique des véhicules importante, ces deux ombrières représentent des autonomies respectives théoriques maximales de km/an pour celle installée à l INES, et de km/an pour celle du CEA Grenoble. - Une 1 ère phase de tests est en cours : elle consiste à expérimenter le bon fonctionnement des stations solaires, à partir des déplacements des utilisateurs au CEA et à l INES. Les résultats enregistrés à ce jour démontrent que le système fonctionne bien. - La 2 ème phase est en cours de développement : elle consiste à organiser la recharge solaire selon les besoins des utilisateurs. Les chercheurs mettent au point les algorithmes qui permettront de gérer les horaires des déplacements et 15/26

16 besoins en autonomie, les différents états de charge des véhicules et les besoins/capacités du réseau. Vers des chargeurs «bidirectionnels» Dans la même perspective, le CEA et l INES mettent en place pour 2011 un projet de recherche sur des véhicules intégrant des chargeurs bidirectionnels. Le chargeur bidirectionnel sera capable de gérer la recharge de celui-ci et, le cas échéant, de renvoyer l énergie vers le réseau à certaines périodes où celuici est surchargé (typiquement, la pointe de consommation de 19h). Le projet est en cours de montage avec l Ademe et Renault. Très avantgardiste, il comprend de multiples contraintes techniques que le CEA et l INES intègreront : - préservation de la durée de vie de la batterie pour sa fonction première (traction) ; - nécessité d une connectique optimale pour garantir la sécurité des utilisateurs (flux d énergie électrique bidirectionnels) ; - contraintes réglementaires ; - complexité des algorithmes de gestion de l énergie, selon le type de ressource utilisée (solaire notamment), selon les besoins de l utilisateur, et même selon les prix de l électricité (période creuse / de pointe). Un autre projet mené avec l Ademe aboutira en 2011 à la mise en place d un réseau de recharges solaires de différents types pour des «quadricycles lourds», en fait des véhicules légers destinés à un usage urbain. Le projet, intitulé ZEN-EDRIVE, consistera à tester une vingtaine de véhicules équipés de batteries Li-ion, à nouveau avec de la recharge solaire. Le CEA impliqué dans cinq projets ADEME de R&D Dans le cadre du Grenelle de l environnement, l Ademe (Agence de l environnement et de la maîtrise de l énergie) a lancé en juillet 2008 un appel à projets pour la réalisation de démonstrateurs de véhicules bas carbone (faiblement émetteurs de gaz à effet de serre). Sur les onze projets retenus par l Ademe, cinq impliquent des équipes du CEA-List et du CEA-Liten. - EILISup : Expérimentation d un bus hybride et d un autocar tout électrique à recharge rapide. En partenariat avec EDF et Irisbus. - ForeWheel : Démonstrateurs de véhicules électriques optimisés en masse et fiabilité avec intégration dans les roues des fonctions de freinage, suspension, motorisation et direction. En partenariat avec Michelin et Heuliez. - DHRT2 : Réalisation d une flotte expérimentale de véhicules hybrides rechargeables et étude de la convergence habitat-solaire-transport. En partenariat avec Toyota, EDF et l École des mines. - Hydole : Concept de véhicule hybride à dominante électrique. En partenariat avec PSA, Freescale et EDF. - Velecta : Développement de quadricycles électriques légers et lourds, sans permis, intégrant de nouvelles technologies de batteries lithium. En partenariat avec Aixam et l Institut national de recherche sur les transports et leur sécurité. 16/26

17 Perspectives d évolution à moyen/long terme Au-delà des développements actuels, les chercheurs visent déjà la mise au point de solutions alternatives à la technologie Li-Ion, a priori limitée à 300 Wh/kg. Dans cette optique, le CEA-Liten travaille déjà sur des systèmes Li-Air et Li-Soufre pour lesquels l électrode négative est en lithium métal et l électrode positive constituée d oxygène et de souffre. Pour ces deux types de système, il s agira, d une part, de maîtriser l électrode de lithium, généralement peu stable en cyclage prolongé et à régime de charge/décharge élevé ; d autre part, il faudra mettre au point une électrode positive non conventionnelle et un électrolyte compatible. Quant à l électronique de puissance, elle appelle des systèmes de super condensateurs (stockage électrostatique) innovants, dont l énergie sera extrêmement faible (moins de 20 Wh/kg) ou des systèmes hybrides couplant un super condensateur avec un accumulateur Li-ion. Ces systèmes sont déjà en cours de définition. Une autre voie : les systèmes hybrides Batteries / Pile à combustible En parallèle aux recherches sur le véhicule 100% électrique ou hybride électrique/thermique, le CEA-Liten a choisi de développer une solution hybride couplant les batteries à une pile à combustible (PAC). Ce concept a été développé en partenariat avec PSA dans le cadre d un projet financé par l ANR (Agence Nationale de la Recherche) : le système hybride a été testé dans un cabriolet 307 Peugeot. Les performances sont prometteuses : vitesse de 155 km/h et autonomie de 500 km dont un peu moins de 100 km couvert par la batterie et 400 km grâce aux 4 kg d hydrogène de la PAC. Si des systèmes de PAC sont déjà opérationnels aujourd hui, il faut néanmoins diminuer leur coût et augmenter leur durée de vie. Ces deux objectifs seront atteints grâce au développement de nouveaux matériaux. En effet, la technologie disponible aujourd hui d une PAC pour application transport est la technologie dite PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) fonctionnant à 80 C. A cette température, les réactions électrochi miques nécessitent l utilisation comme catalyseur du platine, un matériau noble, malheureusement rare et cher. Il est donc indispensable de développer des catalyseurs alternatifs au platine. Les chercheurs ont développé des procédés permettant de synthétiser de particules de platine de quelques nanomètres de diamètre afin que chaque atome de matière participe à la réaction électrochimique. Ils travaillent aussi sur des catalyseurs bimétalliques, toujours en vue de réduire la quantité de platine à performance identique. Des travaux de recherche plus fondamentaux sont réalisés avec le soutien de laboratoires académiques sur des catalyseurs sans métaux nobles, à base, par exemple, de nickel ou d hydrogénase. Photo : PAC de 250 W ayant équipé le véhicule participant à la course Ecomarathon Shell P.Avavian/CEA A côté de ces recherches, les technologies PAC du CEA-Liten sont étudiées pour des marchés "de niches" jugés porteurs et permettant de valider les 17/26

18 technologies. Ces marchés sont notamment : la navigation de plaisance : le CEA est engagé dans le projet Zéro CO2, dont l'objectif est de permettre à un voilier dont le moteur auxiliaire est alimenté par une pile à combustible à hydrogène, de boucler le tour de la Méditerranée. Le voilier a été mis à l'eau au port de Marseille en juin dernier et a débuté sa navigation cet été ; les engins de chantier et véhicules agricoles : le CEA-Liten étudie un projet de tracteur équipé d'une PAC, projet qui pourrait aboutir à un démonstrateur en 2012 ; la co-génération : une collaboration pour le développement de systèmes thermodynamiques (machines thermiques + PAC) pour le bâtiment - chauffage, climatisation et production d'eau chaude a été lancée avec la société Soprano. 18/26

19 Présentation de la plate-forme STEEVE - Stockage d Energie Electrochimique pour Véhicules Electriques - Unique en Europe, la plate-forme STEEVE permet la réalisation de batteries en petites séries pour un large spectre d applications et préfigure la création d une filière française de production de batteries pour le transport. STEEVE a été créée avec le CNRS, EDF et l INERIS, qui présentent une expertise et une capacité de recherche reconnue et travaillent déjà ensemble sur ces problématiques. Ces partenaires sont dotés de moyens complémentaires et adaptés pour travailler sur la filière batteries. Lancée en 2009 sur près de 250 m 2 de laboratoires, la plate-forme se développe rapidement et atteindra fin 2010 plus de m 2 de superficie. Elle est composée de deux antennes : l une est consacrée aux cellules et packs batteries, et située au CEA Grenoble : on y fabrique les accumulateurs, depuis la mise au point des poudres des matériaux jusqu à la constitution de pack batteries avec leur électronique ; un banc moteurs permet également de tester tous types de batteries. l autre est consacrée aux tests, à la gestion et à l optimisation des performances des batteries, et située à l INES (Institut National de l Energie Solaire) de Chambéry. On étudie également à Chambéry le couplage véhicules électriques / énergies renouvelables. Photo : salle anhydre, au CEA Grenoble. PF.Grosjean/CEA A terme, la plate-forme aura une capacité de production voisine de 500 kwh/mois soit une quantité de batteries suffisante pour équiper une vingtaine de véhicules électriques/mois. 1- Une plate-forme conçue pour travailler avec les industriels La plateforme STEEVE a pour objectif d ouvrir aux industriels toute la chaîne de fabrication de batteries électriques, depuis le broyage des poudres utilisées et la mise au point des chimies les plus efficaces, jusqu au développement et aux 19/26

20 tests en conditions d utilisation de packs batteries. Plusieurs sociétés ont déjà marqué leur intérêt pour devenir des partenaires utilisateurs de la plate-forme : Renault, Prollion (co-entreprise entre ALCEN et le CEA) Michelin, SVE, La Poste, Alstom, Siemens, notamment. Cette plate-forme a pour vocation : d être ouverte à plusieurs types de partenaires en toute confidentialité (PME ou grands groupes, concepteurs/producteurs de batteries concevant de nouveaux produits ou bien intégrateurs ou utilisateurs de véhicules pour évaluer la performance de produits disponibles ou en cours de développement) ; d avoir une gouvernance légère, adaptée au besoin, et proche des utilisateurs ; de répondre à des demandes concernant toutes technologies et tous types d usages (véhicules routiers mais aussi transports guidés et usage stationnaire) ; d être une référence en Europe pour accompagner les nouvelles technologies batteries et leurs référentiels normatifs, et pour qualifier la sécurité de ces moyens de stockage avant intégration dans les systèmes de transports ; de se placer en complément d autres plates-formes d innovation contribuant au développement de la filière du véhicule décarboné, notamment avec le projet MOV EO DEGE à Satory pour l intégration système mécatronique dédiée au Véhicule Électrique et Hybride. Un accord de R&D avec Renault-Nissan En novembre 2009, l alliance Renault-Nissan et le CEA ont signé une lettre d intention pour entreprendre le développement de batteries pour les applications véhicules électriques. Cette lettre d intention se traduira très prochainement par un accord définitif. Ces accords de recherche avec Renault se concrétisent aujourd hui par l extension de la plateforme STEEVE pour permettre aux équipes de R&D de Renault de mener des travaux sur les futures générations de batteries. 2 - Une offre cohérente pour répondre à tous types de besoins La plate-forme STEEVE permet de proposer aux industriels la R&D sur toute la filière batteries : la recherche fondamentale, le prototypage de batteries, les modes de gestion par BMS (Battery Management System), l évaluation des performances, la sécurité et la certification. STEEVE bénéficie d ores et déjà d une labellisation par les Pôles de compétitivité i-trans et Tenerrdis. STEEVE permet également de prendre en compte le coût global de la fonction stockage : - soit dès l étape de dimensionnement initial des systèmes (en fonction de l usage pour lequel il est prévu) ; - soit en temps réel en optimisant les lois de gestion de l énergie lorsque le système est en fonctionnement. Pour répondre à cet enjeu, STEEVE comprend actuellement des équipements de tests de batteries et d algorithmie pour toutes les technologies de batteries et toutes les gammes de puissance (jusqu à 140 kw), essentiellement dédiés aux applications transport. A l INES, des bancs d essai permettent de tester les 20/26

21 différents types de batteries commercialisées, aussi bien sous forme de modules (accumulateurs à l unité) que sous forme de packs batteries. Ces bancs de tests reproduisent les cycles d utilisation des batteries (charge et décharge) ainsi que les conditions de température. Une cinquantaine de fabricants de batteries Li-ion ont ainsi été testés en 2010, dont une vingtaine commercialisant des batteries susceptibles d équiper des véhicules électriques. En 2011, l INES s équipera d une chambre froide pour tester les packs batteries embarqués à bord de véhicules, afin de simuler l environnement thermique du véhicule complet. Photo : tests de batteries au plomb, à l INES. C.Dupont/CEA PROLLION : de la R&D à l industrie Pour faciliter le passage du laboratoire vers l industrie, le CEA a souhaité favoriser l'émergence d'un nouveau fabricant de batteries en France, ce qui permet de valider certaines des technologies du CEA-Liten et de les exploiter à des fins commerciales. Ce nouvel acteur industriel - qui exploite une partie des équipements de prototypage du CEA localisés à Grenoble est la société Prollion, une start-up qui a vu le jour au cours du second semestre Elle a été créée par le CEA-Liten avec la société ALCEN, PME française spécialisée dans le domaine des hautes technologies. Prollion se consacre à la fabrication «à façon» d accumulateurs Li-ion et de packs batteries intégrant un système de gestion. Ces batteries bénéficient de trois types d innovations : matériaux performants, formats et système de gestion optimisés. Elles sont destinées notamment aux marchés de niches. La modélisation et l optimisation de la thermique du pack de batteries ainsi que la modélisation du cœur de cellule (phénomènes électrochimiques) et du système complet sont aussi des activités développées au CEA-Liten et à l INES. Ces travaux sont complétés par la réalisation de systèmes de batteries qui associent de nouveaux composants avec de l électronique bas coût permettant un équilibrage optimisé des charges et des décharges. Par ailleurs, le CEA-Liten développe l expertise sur le diagnostic post-mortem des batteries : une fois le pack batteries arrivé en fin de vie, les ingénieurs du CEA-Liten l ouvrent, en extraient les matières actives et les analysent afin de déterminer les causes de la défaillance. Cette analyse permet une meilleure connaissance du fonctionnement et des points faibles de la batterie et d en améliorer la conception. Cette étape nécessite des équipements lourds dont le CEA- Liten dispose : boîtes à gants 4, plateforme de microscopie Photo : exemple d équipement spécifique présent sur le site du CEA, à Grenoble : il s agit ici d un laboratoire où l on peut réaliser des nanofils de façon bien contrôlée. P.Avavian/CEA 4 dispositifs hermétiques permettant de manipuler des matériaux en atmosphère contrôlée, à ne pas confondre avec la boîte à gants d une voiture! Cf. photo ci-dessus. 21/26

22 ANNEXES 22/26

23 Comment fabrique-t-on un accumulateur? ( photos : PF.Grosjean/CEA) Le «pack batterie» installé dans un véhicule électrique ou hybride est constitué d un assemblage d accumulateurs avec leur électronique de contrôle. Les chercheurs appellent les accumulateurs des «cellules», comme autant de cellules élémentaires qui seront regroupées pour constituer un pack de plus ou moins grande puissance. Chaque «cellule» est construite autour de ses électrodes, qui, selon les chimies employées, vont définir les caractéristiques et l utilisation du pack batteries. Etape de synthèse des poudres : Différentes chimies sont développées par les chercheurs sous forme de poudres, jusqu à l échelle du nanomètre. Les différents matériaux utilisés fer, phosphate, lithium, carbone - sont d abord broyés jusqu à leur taille optimale. Les poudres obtenues sont ensuite passées dans un four : c est l étape de synthèse proprement dite, un traitement court et efficace. Il existe d autres méthodes de synthèse, par CVD par exemple (pour Chemical Vapour Deposition). Pour une cellule, on obtient ainsi deux groupes de poudres, les unes pour l électrode négative, les autres pour l électrode positive. Réalisation d une encre : Les poudres, dites «matières actives» sont mêlées à un solvant, organique en général (cela peut être de l eau) ; sont ensuite ajoutés des agents conducteurs (du carbone) et un «liant» (en général un polymère), à hauteur chacun de 4-5% de la masse de l électrode finale (90 à 95% pour les matières actives). L ensemble prend la consistance d une encre. Dépôt de l encre sur le collecteur de courant : Pour collecter le courant au sein du pack batteries, on a recours soit au cuivre soit à l aluminium. L encre est déposée sur les feuilles de cuivre ou d aluminium qui servent de support, par enduction classique ou autre technique d impression (flexographie, sérigraphie ). Comme dans une imprimerie, le dépôt est fait par rouleaux, sur lesquels sont déposées les encres. Après passage au four, on récupère un rouleau d électrode sèche (le solvant s est évaporé), dont la porosité est trop importante pour les réactions électrochimiques attendues. La bande d électrode est donc comprimée, pour passer de 70 à 20-40% de porosité. On appelle cela le «calandrage». 23/26

24 Mise en forme de l électrode : Au moment où l encre a été coulée sur les collecteurs de courant, les extrémités de la bande sont restées nues. «Refendues» dans le sens de la longueur, elles constituent l électrode, dont seule une extrémité fait office de collecteur. L électrode est alors enroulée en un «bobinot» (pour une cellule de forme cylindrique). La largeur de la bande d électrode correspond à la hauteur de l électrode finale. A noter : les cellules peuvent aussi être formatées en version empilée ou, en particulier pour les véhicules électriques, en «cellules empilées prismatiques». Le tout est ensuite inséré dans un boîtier rigide, soudé par laser, ou dans un sachet souple, thermoscellé ; toutes les formes et toutes les tailles sont envisageables. Insertion de l électrolyte : Un petit trou est percé dans la cellule pour y insérer l électrolyte liquide, qui va se répandre dans tous les pores des électrodes et de la membrane. Dans une cellule d environ 100 g, l électrolyte compte pour 20 g. Dans le cas des accumulateurs Li-ion, l électrolyte à base de sel de lithium est très sensible à l humidité. Aucune molécule d eau ne doit passer afin d éviter la formation d acide dans la cellule en fonctionnement. L insertion est donc réalisée dans une salle dite «anhydre» (sans humidité) où la qualité de l air ambiant est contrôlée. Une fois scellée, la cellule est achevée. Comme pour n importe quel accumulateur commercialisé, une étape de «formation électrique» est nécessaire : un cycle charge/décharge est réalisé selon des conditions particulières qui garantiront son fonctionnement optimal par la suite. Pour exemple, un pack de 20 kwh équivaut à 200 cellules ; embarqué dans une voiture, un pack de 20 kwh pèse actuellement 200 Kg (100 Wh/kg). 24/26

25 Le CEA-Liten Laboratoire d Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les Nanomatériaux Institut du CEA implanté principalement à Grenoble et Chambéry (INES), le Liten (Laboratoire d Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux), est l un des plus importants et plus jeunes centres européens de recherche sur les nouvelles technologies de l énergie. - La mission du Liten : Soutenir l effort français de diversification énergétique par une meilleure intégration des énergies renouvelables notamment pour les besoins en énergie du transport et de l habitat et de l électronique nomade. Interlocuteur incontournable du monde industriel, 350 contrats de recherche partenariale signés par an, le Liten est également l un des laboratoires du CEA qui dépose le plus grand nombre de brevets (135 en 2009) et gère un portefeuille de 400 brevets étendus au niveau international. Les activités du Liten sont centrées sur l énergie solaire et le bâtiment basse consommation, les transports (hydrogène et pile à combustible, stockage de l énergie) et les nanotechnologies, plus précisément les nanomatériaux à l origine de nombreuses ruptures technologiques. Elles concernent principalement : Energie solaire pour le bâtiment (élaboration de silicium de grade solaire, augmentation du rendement des cellules solaires photovoltaïques, modules, systèmes électriques, solaire thermique, intégration dans le bâtiment, systèmes thermiques ) Technologies pour le transport, notamment la motorisation électrique (piles à combustible, batteries lithium, production d hydrogène, dépollution, développement de biocarburants ) Electronique nomade et industrie de pointe (micro-sources d énergie, électronique organique, nano-objets ) personnes au service de l innovation et du transfert de technologie vers les industriels : Fort d un budget annuel de 120 millions d euros, le Liten emploie 800 techniciens et ingénieurs. Il dispose de moyens technologiques importants avec de salles blanches dédiées aux recherches sur les nanomatériaux, sur le solaire photovoltaïque ainsi que des équipements lourds de caractérisation et de test pour l hydrogène et les piles à combustible. Il a également accès aux autres installations du CEA Grenoble, notamment le LETI, MINATEC, le polygone scientifique : réacteurs, accélérateurs, moyens d analyse et de caractérisation, etc. Plus d informations : 25/26

26 L Institut National de l Energie Solaire (INES) Initié par le CEA, le CNRS, le CSTB (Centre Scientifique et Technique du Bâtiment) et l Université de Savoie, et soutenu par le Conseil Général de la Savoie, la Région Rhône-Alpes et le ministère de la recherche, l INES est le premier centre français et l un des premiers européens dédié aux recherches sur l énergie solaire. Créé par une convention de partenariat signée le 3 juillet 2006, l INES regroupe plus de 250 personnes (chercheurs, formateurs et industriels) sur un site de m 2, à Chambéry. L'Institut est organisé en 2 plateformes : Recherche, Développement, Innovation Industrielle - Devenir un centre d'excellence en recherche solaire, national et international. - Améliorer les technologies des filières solaires thermiques et photovoltaïques, essentiellement pour les applications du type bâtiments résidentiels et tertiaires. - Soutenir les transferts technologiques vers les partenaires industriels. INES DEMONSTRATION et FORMATION - Mettre en situation et évaluer les produits, les procédés et les logiciels issus des programmes de R&D. - Etre un des lieux nationaux de démonstration de la viabilité des technologies solaires. - Permettre aux industriels du solaire et du bâtiment d'exposer des innovations. - Etre un support des formations et des informations diffusées par INES EDUCATION. Le site de l INES, à Chambéry. INES 26/26