La révolution dans les accumulateurs

04/10/2018
Auteurs : M. Morcrette
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23562
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La révolution dans les accumulateurs

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La révolution dans les accumulateurs La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 55 La révolution dans les accumulateurs M. MORCRETTE1,2,3 1 Laboratoire de Réactivité et de Chimie des Solides (LRCS) CNRS UMR7314 Université de Picardie Jules Verne 33 rue Saint Leu, 80039 Amiens, France 2 Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie (RS2E) CNRS FR 3459, France 3 ALISTORE-ERI CNRS FR 3104, France 1. Contexte Les accélérateurs électromagnétiques constituent des systèmes prometteurs pour la défense. Outre la minimisation des risques pyrotechniques via la suppression de la poudre propulsive, ils offrent la possibilité d’atteindre des vitesses de bouche supérieure à 2,5 km/s surclassant totalement les systèmes conventionnels. Ces vitesses de la munition offre des avantages clefs. Tout d’abord, la portée se trouve décuplée et permet des actions offensives tout en restant à distance de sécurité. En permettant des frappes à plusieurs centaines de kilomètres, le canon électrique se place en alternative à une utilisation de missile beaucoup plus couteuse [1]. En tir tendu, l’énergie cinétique accumulée dans le projectile inflige des dégâts significatifs à la cible, même en l’absence de tête militaire explosive. Enfin, associés à une capacité multi-coups haute cadence, les canons électriques permettent d’effectuer des tirs de défense contre des projectiles adverses en vol. Ici, la vitesse très élevée des munitions rend possible des interceptions à plus grande distance, augmentant ainsi la marge de sécurité face à des missiles modernes toujours plus rapides [2]. Vis-à-vis des avantages offerts, et de la nécessaire intégration d’une source d’alimentation spécifique (énergie à délivrer de l’ordre de plusieurs centaines de mégajoules, dans des échelles de temps de quelques millisecondes [3]) les applications navales sont aujourd’hui principalement concernées par la technologie des lanceurs [4]. Bien que le concept du canon électrique remonte aux débuts du siècle dernier [5], son développement a été largement lié aux progrès des technologies de commutations et de stockage d’énergie électrique. Les installations de grande envergure restent rares et en Europe, seul l’Institut franco-allemand de recherche de Saint Louis (ISL) dispose de moyens d’essais significatifs. 2. Introduction Dans cet article, sont présentés les différentes chimies des accumulateurs en les positionnant par domaines d’usage. Puis dans la seconde partie, les différentes pistes qui sont aujourd’hui traitées dans le RS2E (Réseau sur le Stockage Electrochimique de l’Energie) qui regroupe 17 laboratoires académiques français, les centres de transfert de technologies (CEA, IFPEN, INERIS) et 18 industriels (www.energie-rs2e.com) 3. La révolution Industrielle Pour la première fois commercialisée par Sony en 1991, la technologie Li-ion poursuit son développement. Tout d’abord utilisée pour la téléphonie portable, leurs usages se sont démultipliés et on peut citer par ordre chronologique les ordinateurs, l’outillage portatif, les vélos, les véhicules hybrides et purement électriques et aujourd’hui les bus. Cette demande croissante a pu être satisfaite grâce aux investissements dans des outils de production en Chine, Corée ou Japon qui sont les trois seuls producteurs de batteries dans le monde et dans la synthèse des matériaux constitutifs de l’accumulateur. Précisons que la technologie Li-ion regroupe plusieurs familles avec des matériaux différents dont les caractéristiques vont être déterminantes pour les propriétés électriques, le vieillissement, le cout, la recyclabilité et la sécurité. On peut schématiquement les classer : • La Technologie + LiCoO2 / Graphite – est celle que l’on retrouve dans les téléphones et ordinateurs. Elle permet d’atteindre des densités d’énergie de 200 Wh/kg. Les réactions qui peuvent avoir lieu lors d’un emballement thermique ne permettent pas de l’intégrer dans des systèmes plus important. • Les technologies NCA (LiNi0.8Co0.15Al0.05O2) ou NMC (LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2) / Graphite sont d’excellentes alternatives et s’imposent aujourd’hui dans la mobilité électrique. Elles permettent quand quelques pourcents de silicium sont ajoutés à l’électrode négatives en graphite d’atteindre 270 Wh/kg. Il faut noter que la forte croissance du prix du cobalt et les tensions géopolitiques de son extraction au Congo poussent les acteurs à trouver des solutions sans cobalt • La technologie LiFePO4 / Graphite est intrinsèquement moins performante en énergie spécifique. La sécurité plus importante mais surtout son vieillissement moindre permet La révolution dans les accumulateurs La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 56 d’être aujourd’hui une solution pour le stockage stationnaire. Elle est aussi utilisée dans la mobilité électrique dans des flottes de véhicule et permet avec un design particulier d’être chargée très rapidement • La technologie NMC / LTO (Li4Ti5O12), encore moins dense, est quant à elle tournée vers des applications de puissance. Un exemple d’application est par exemple le bus électrique se rechargeant très rapidement typiquement 3 minutes en bout de ligne. La croissance des volumes d’accumulateur mais également l’amélioration des densités d’énergie massique et volumique ont permis la chute impressionnante du coût des batteries passant de 1000$/kWh en 2010, à 600$ en 2014 pour atteindre en 2018 250$/kWh avec des prévisions de 150$/kWh vers 2025. Cette baisse des coûts permet aujourd’hui de développer les usages rendant par exemple le bus électrique très intéressant malgré la quantité de batterie embarquée ou encore le stockage stationnaire via des conteneurs remplis de cellules électrochimiques. 4. Les pistes de recherche pour les prochaines générations d’accumulateurs Un des objectifs du RS2E est d’accélérer le passage de la recherche à l’application. Pour cela, une unité de fabrication de cellule 18650 (cf photo) a été installée à Amiens et permet de démontrer dans des cellules représentatives, l’impact des découvertes faites dans le réseau dans un objet réel. Ci-après les différentes orientations des recherches menées : • La sécurité La sécurité est un enjeu fort en particulier pour les usages grands publics comme le véhicule électrique. Ces 5 dernières années, des conducteurs ioniques solides ont été découverts avec des propriétés de conduction qui égales celles des électrolytes liquides actuellement utilisés. Il reste maintenant à maîtriser leurs manipulations car nombreux sont ceux qui ne sont pas stables à l’air, maîtriser les interfaces solides et enfin rendre la fabrication des accumulateurs avec des outils de procédé industriel. Ces électrolytes solides ouvrent potentiellement la voie à l’utilisation de matériaux alternatifs comme le lithium métal en remplacement du graphite (X10 en capacité spécifique) combinés à des matériaux à haut potentiel permettant « théoriquement » d’atteindre entre 350 et 400 Wh/kg mais le chemin est encore long. • La densité d’énergie massique Une autre voie pour améliorer la densité d’énergie massique consiste à résoudre les problèmes des batteries Li-air ou Li/S. Alors que les batteries Li-air restent aujourd’hui à l’état de recherche fondamentale tant les verrous sont difficiles à résoudre, des prototypes de batteries Li/S (140 Wh/kg) sont actuellement produits (Oxys Energy) et testés. Les verrous restent un cyclage encore limité à la centaine de cycle lié à la formation d’espèces solubles de type polysulfure et une densité d’énergie volumique intrinsèque faible (/5 par rapport au Li-ion). • La densité de puissance Les supercondensateurs sont les dispositifs de choix pour remplir ces usages mais ils ne contiennent que peu d’énergie. Les pistes de développement et de recherche se tourne sur des systèmes hybrides intégrant un peu de stockage faradique et les Li-ion Capaciteurs (ou LIC) semblent être très intéressants et commence réellement à percer. Une autre alternative découverte il y a peu, consiste à remplacer le lithium par le sodium. Le couple électrochimique issu des travaux du RS2E et maintenant exploité par la société Tiamat devrait permettre d’ici deux ans de se positionner sur ces applications. Il faut noter que les batteries Na-ion ont également des tenues en cyclage très importantes. • Le coût d’usage La dernière grande piste étudiée est celle du stockage des énergies renouvelables qui requiert l’installation d’accumulateur de forte capacité et de puissance. On parle ici de MW et de dizaine de MWh, un facteur 100 par rapport au véhicule électrique avec des durées de vie de 20 ans (environ 7000 cycles). Les batteries de type Redox Flow dont le fonctionnement consiste à faire circuler deux électrolytes liquides aqueux contenant les espèces actives de type Vanadium par exemple remplissent partiellement le cahier des charges. Des recherches sont menées actuellement en utilisant des encres actives en milieu organique ou non pour améliorer une densité d’énergie encore trop faible. A noter également que des start up comme Zinium sur la technologie Zinc-Air issus des travaux d’EDF-R&D.