La voiture électrique hier, aujourd'hui, demain: partie 3

Le terme «batteries lithium-ion» cache une grande variété de technologies.

Une chose est sûre, tant que l'électrochimie lithium-ion reste inchangée à cet égard. Aucune autre technologie de stockage d'énergie électrochimique ne peut rivaliser avec le lithium-ion. Le fait est cependant qu'il existe différentes conceptions qui utilisent des matériaux différents pour la cathode, l'anode et l'électrolyte, chacun présentant des avantages différents en termes de durabilité (le nombre de cycles de charge et de décharge jusqu'à une capacité résiduelle autorisée pour les véhicules électriques de 80 %), puissance spécifique kWh/kg, prix euro/kg ou rapport puissance/puissance.

Dans le temps

La possibilité de réaliser des processus électrochimiques dans le soi-disant. Les cellules lithium-ion proviennent de la séparation des protons et des électrons du lithium de la jonction lithium à la cathode pendant la charge. L'atome de lithium cède facilement l'un de ses trois électrons, mais pour la même raison, il est très réactif et doit être isolé de l'air et de l'eau. Dans la source de tension, les électrons commencent à se déplacer le long de leur circuit et les ions sont dirigés vers l'anode carbone-lithium et, traversant la membrane, y sont connectés. Pendant la décharge, le mouvement inverse se produit - les ions retournent à la cathode et les électrons, à leur tour, traversent la charge électrique externe. Cependant, une charge rapide à courant élevé et une décharge complète entraînent la formation de nouvelles connexions durables, ce qui réduit ou même arrête le fonctionnement de la batterie. L'idée d'utiliser le lithium comme donneur de particules découle du fait qu'il s'agit du métal le plus léger et qu'il peut facilement libérer des protons et des électrons dans de bonnes conditions. Cependant, les scientifiques abandonnent rapidement l'utilisation du lithium pur en raison de sa forte volatilité, de sa capacité à se lier à l'air et pour des raisons de sécurité.

La première batterie lithium-ion a été créée dans les années 1970 par Michael Whittingham, qui a utilisé du lithium pur et du sulfure de titane comme électrodes. Cette électrochimie n'est plus utilisée, mais jette les bases des batteries lithium-ion. Dans les années 1970, Samar Basu a démontré sa capacité à absorber les ions lithium du graphite, mais, grâce à l'expérience de l'époque, les batteries se sont rapidement auto-détruites pendant la charge et la décharge. Un développement intensif a commencé dans les années 1980 pour trouver des composés de lithium appropriés pour la cathode et l'anode des batteries, et une véritable percée s'est produite en 1991.

Cellules au lithium NCA, NCM ... qu'est-ce que cela signifie vraiment?

Après avoir expérimenté divers composés de lithium en 1991, les efforts des scientifiques ont été couronnés de succès - Sony a commencé la production de masse de batteries lithium-ion. Actuellement, les batteries de ce type ont la puissance de sortie et la densité d'énergie les plus élevées, et surtout, un potentiel de développement important. Selon les besoins des batteries, les entreprises se tournent vers divers composés de lithium comme matériau de cathode. Il s'agit de l'oxyde de lithium et de cobalt (LCO), des composés avec du nickel, du cobalt et de l'aluminium (NCA) ou avec du nickel, du cobalt et du manganèse (NCM), du phosphate de fer et de lithium (LFP), du spinelle de lithium et de manganèse (LMS), de l'oxyde de lithium et de titane (LTO) et d'autres. L'électrolyte est un mélange de sels de lithium et de solvants organiques et est particulièrement important pour la "mobilité" des ions lithium, et le séparateur, qui est chargé d'éviter les courts-circuits en étant perméable aux ions lithium, est généralement en polyéthylène ou en polypropylène.

Puissance de sortie, capacité ou les deux

Les caractéristiques les plus importantes de la batterie sont l'énergie, la fiabilité et la sécurité spécifiques. Les batteries actuellement produites couvrent une large gamme de ces qualités et, selon les matériaux utilisés, ont une plage d'énergie spécifique de 100 à 265 W / kg (et une densité d'énergie de 400 à 700 W / l). Les meilleures à cet égard sont les batteries NCA et les pires LFP. Cependant, le matériau est un côté de la pièce. Pour augmenter à la fois l'énergie spécifique et la densité d'énergie, diverses nanostructures sont utilisées pour absorber plus de matière et fournir une conductivité plus élevée du flux ionique. Un grand nombre d'ions "stockés" dans un composé stable, et la conductivité sont des conditions préalables pour une charge plus rapide, et le développement est dirigé dans ces directions. Dans le même temps, la conception de la batterie doit fournir le rapport puissance / capacité nécessaire, selon le type de lecteur. Par exemple, les hybrides rechargeables doivent avoir un rapport puissance / capacité beaucoup plus élevé pour des raisons évidentes. Les développements d'aujourd'hui se concentrent sur les batteries de type NCA (LiNiCoAlO2 avec une cathode et une anode graphite) et NMC 811 (LiNiMnCoO2 avec une cathode et une anode graphite). Les premiers contiennent (hors lithium) environ 80% de nickel, 15% de cobalt et 5% d'aluminium et ont une énergie spécifique de 200-250 W / kg, ce qui signifie qu'ils ont une utilisation relativement limitée de cobalt critique et une durée de vie pouvant atteindre 1500 cycles. Ces batteries seront produites par Tesla dans sa Gigafactory au Nevada. Lorsqu'elle atteindra la pleine capacité prévue (en 2020 ou 2021, selon la situation), l'usine produira 35 GWh de batteries, ce qui est suffisant pour équiper 500 000 voitures. Cela permettra de réduire davantage les coûts de la batterie.

Les batteries NMC 811 ont une énergie spécifique légèrement inférieure (140-200W/kg) mais ont une durée de vie plus longue, atteignant 2000 cycles complets, et sont composées à 80% de nickel, 10% de manganèse et 10% de cobalt. Actuellement, tous les fabricants de batteries utilisent l'un de ces deux types. La seule exception est la société chinoise BYD, qui fabrique des batteries LFP. Les voitures qui en sont équipées sont plus lourdes, mais elles n'ont pas besoin de cobalt. Les batteries NCA sont préférées pour les véhicules électriques et NMC pour les hybrides rechargeables en raison de leurs avantages respectifs en termes de densité d'énergie et de densité de puissance. Les exemples sont la e-Golf électrique avec un rapport puissance/capacité de 2,8 et la Golf GTE hybride rechargeable avec un rapport de 8,5. Au nom de la baisse des prix, VW entend utiliser les mêmes cellules pour tous les types de batteries. Et encore une chose - plus la capacité de la batterie est grande, moins le nombre de décharges et de charges complètes est important, et cela augmente donc sa durée de vie - plus la batterie est grande, mieux c'est. La seconde concerne les hybrides en tant que problème.

Tendances du marché

À l'heure actuelle, la demande de piles à des fins de transport dépasse déjà la demande de produits électroniques. On prévoit toujours que 2020 million de véhicules électriques par an seront vendus dans le monde d'ici 1,5, ce qui contribuera à réduire le coût des batteries. En 2010, le prix de 1 kWh d'une cellule lithium-ion était d'environ 900 euros, et maintenant il est inférieur à 200 euros. 25 % du coût de l'ensemble de la batterie correspond à la cathode, 8 % à l'anode, au séparateur et à l'électrolyte, 16 % à toutes les autres cellules de la batterie et 35 % à la conception globale de la batterie. En d'autres termes, les cellules lithium-ion contribuent à hauteur de 65 % au coût d'une batterie. Les prix estimés de Tesla pour 2020 lorsque la Gigafactory 1 entrera en service sont d'environ 300 €/kWh pour les batteries NCA et le prix comprend le produit fini avec une TVA moyenne et une garantie. Un prix tout de même assez élevé, qui continuera de baisser avec le temps.

Les principales réserves de lithium se trouvent en Argentine, en Bolivie, au Chili, en Chine, aux États-Unis, en Australie, au Canada, en Russie, au Congo et en Serbie, la grande majorité étant actuellement extraite de lacs asséchés. Avec l'accumulation d'un nombre croissant de batteries, le marché des matériaux recyclés à partir de vieilles batteries va augmenter. Cependant, le problème du cobalt, qui, bien que présent en grande quantité, est extrait comme sous-produit dans la production de nickel et de cuivre, est plus important encore. Malgré la faible concentration dans le sol, le cobalt est extrait au Congo (qui a les plus grandes réserves disponibles), mais dans des conditions qui défient l'éthique, la moralité et la protection de l'environnement.

Technologie de pointe

Il convient de garder à l'esprit que les technologies adoptées comme perspective pour un avenir proche ne sont en fait pas fondamentalement nouvelles, mais sont des options lithium-ion. Telles sont, par exemple, les batteries à l'état solide, dans lesquelles un électrolyte solide (ou un gel dans les batteries au lithium polymère) est utilisé à la place du liquide. Cette solution fournit une conception plus stable des électrodes, ce qui viole leur intégrité lors de la charge avec un courant élevé, respectivement. haute température et charge élevée. Cela peut augmenter le courant de charge, la densité d'électrode et la capacité. Les batteries à semi-conducteurs sont encore à un stade très précoce de développement et il est peu probable qu'elles apparaissent en production de masse avant le milieu de la décennie.

L'une des startups primées au Concours de technologie de l'innovation BMW 2017 à Amsterdam était une entreprise alimentée par batterie dont l'anode en silicium augmente la densité énergétique. Les ingénieurs travaillent sur diverses nanotechnologies pour fournir une plus grande densité et résistance au matériau de l'anode et de la cathode, et une solution consiste à utiliser le graphène. Ces couches microscopiques de graphite avec une seule épaisseur atomique et une structure atomique hexagonale sont l'un des matériaux les plus prometteurs. Les « billes de graphène » développées par le fabricant de cellules de batterie Samsung SDI, intégrées dans la structure de la cathode et de l'anode, offrent une résistance, une perméabilité et une densité plus élevées du matériau et une augmentation correspondante de la capacité d'environ 45 % et un temps de charge cinq fois plus rapide. Ces technologies peut recevoir l'impulsion la plus forte des voitures de Formule E, qui peuvent être les premières à être équipées de telles batteries.

Joueurs à ce stade

Les principaux acteurs en tant que fournisseurs de niveau 123 et de niveau 2020, c'est-à-dire les fabricants de cellules et de batteries, sont le Japon (Panasonic, Sony, GS Yuasa et Hitachi Vehicle Energy), la Corée (LG Chem, Samsung, Kokam et SK Innovation), la Chine (BYD Company) . , ATL et Lishen) et aux États-Unis (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel et Valence Technology). Les principaux fournisseurs de téléphones portables sont actuellement LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Corée), AESC (Japon), BYD (Chine) et CATL (Chine), qui détiennent une part de marché de deux tiers. A ce stade en Europe, ils ne sont opposés que par BMZ Group d'Allemagne et Northvolth de Suède. Avec le lancement de la Gigafactory de Tesla en XNUMX, cette proportion va changer - l'entreprise américaine représentera XNUMX % de la production mondiale de cellules lithium-ion. Des entreprises comme Daimler et BMW ont déjà signé des contrats avec certaines de ces entreprises, comme CATL, qui construit une usine en Europe.