Hybridébridé
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Mieux vaut tard que jamais !
Essai de résumé d'après mes souvenirs embrumés de béotiens (donc pas très fiables surtout pour les chiffres) de cette fameuse conférence organisé par le groupe centrale énergie !
NB : en demandant votre inscription (procédure un peu lourde que je n'ai pas encore suivie), vous pouvez avoir accès au forum et aux transparents de toutes les conférences, et voir ainsi si je n'ai pas raconté trop de bêtises.
Elle comprenait deux exposés complémentaires, l'un par l'intervenante de SAFT consacré aux évolutions du marché de la batterie automobile à venir, aux spécifications associées, aux développements en cours et aux aspects production ; l'autre par un intervenant du CEA, plus technique et plus focalisé sur les aspects internes et l'électrochimie des batteries et sur les axes de recherche à venir. Je vais dans le résumé ci-dessous entremêler ces deux exposés.
Le marché de la traction électrique des automobiles (*) va bientôt naître et SAFT a identifié 4 segments futurs :
Les premières batteries développées de ce type étaient au lithium sous forme métallique (le meilleur potentiel en capacité massique), mais ça a été rapidement abandonné, pour des raisons de sécurité.
En effet, comment est constituée une batterie de type lithium ? Elle est composée d'une anode et d'une cathode baignant dans une électrolyte. Que se passait-il avec le lithium métal (solide) ? A force de migrations, en phase de charge, des dendrites de métal se formaient et croissaient, et finissaient par mettre la batterie en court circuit.
Seul Bolloré Batscap poursuit actuellement sur la voie du lithium métal mais en utilisant un polymère gel comme électrolyte qui empêche la formation de ces dendrites (nécessité de fonctionner à 60-80°C pour optimiser la conductivité du polymère). Pour ceux qui veulent approfondir le sujet : http://www.imprimerie.polytechnique.fr/Theses/Files/Teyssot.pdf
Tous les autres industriels se sont tournées vers la batterie lithium-ion, dans laquelle le lithium que ce soit à l'anode ou à la cathode, est associé à d'autres éléments et n'est jamais sous forme métallique.
A quels besoins des catégories de véhicules citées ci-dessus doivent répondre ces batteries et pourquoi prend t-on tant de temps pour mettre sur le marché des batteries Li-Ion pour véhicules alors que l'on en fait un tas depuis quelques années déjà pour nos petits appareils électroniques. C'est la même techno de base, mais les spécifications sont nettement plus drastiques :
Les problèmes de sécurité sont de deux ordres :
Il est difficile de garder une capacité optimale (>80% initiale) au bout de la vie du véhicule, en cas de décharge profonde notamment qui est un des facteurs prépondérants (la température joue aussi) dans le cyclage des batteries. Pour cela mais aussi à l'égard des puissances et capacités massiques, des recherches ont lieu sur les formules chimiques des cathodes, les anodes (d'où toutes ces différentes sortes de batteries Li-Ion, par exemple LiFePo pour l'anode) et aussi l'épaisseur des membranes en cas de gel-polymère.
Actuellement, SAFT pense être arrivé avec ses batteries Li-Ion maison à un bon compromis qui respecte ces différentes exigences (contraintes de performance, sûreté de fonctionnement et coût) d'où la commercialisation imminente de leurs batteries Li-Ion sur les Mercedes S400 hybride et consoeurs allemandes. La formule anode-cathode choisie est un peu moins performante que d'autres en terme de capacité massique, mais plus stable et plus sûre (contrainte bien sûr prioritaire).En terme de performances, on doit être sur les batteries en développement aux alentours de 150Wh/kg (je crois que c'est plutôt 120Wh/kg pour la batterie SAFT) et on pense pouvoir arriver au maximum à 250Wh/kg avec les technos en développement (on doit déjà y arriver en labo). Après avec l'introduction de silicium (à l'anode de mémoire, mais je ne suis plus sûr, j'avais pas trop pigé l'apport du silicium), on pourrait passer peut-être à 300Wh-350Wh/kg, mais c'est à long terme. En gros, les ordres de grandeur ne changeront pas drastiquement quoiqu'on fasse, face aux carburants fossiles.
C'est pareil pour les coûts. De mémoire, on doit être à 1000 €/ Kwh et on pense pourvoir descendre à terme, effet de série compris, à 250 ou 300 €/Kwh. Anoter que la fabrication des batteries SAFT Li-Ion est un procédé automatisé à 85%, ce qui rend, d'après l'intervenante, les délocalisations pas forcément intéressantes (la nouvelle usine des batteries prochainement commerrcialisées est en France).
Divers :
- Le CEA fait également des recherches sur les batteries Li-ion orientées puissance pour les hybrides.
- Selon toute vraisemblance la technologie NiMH subsistera parallèlement pendant un certain temps.
- BMW a travaillé sur une association Batteries au plomb et super-condensateur, mais le coût de ces derniers composants reste rédhibitoire pour l'instant.
Conclusion :
La techno Li-Ion avec des performances jugées acceptables du point de vue de l'utilisateur est mûre pour la mise sur le marché (première commercialisation imminente). Elle sera progressivement améliorée au fil de la RetD. Mais sans rupture en terme de performances et coûts. Dans un monde pratiquement sans pétrole, il faudra donc savoir renoncer à certains usages actuels de la voiture (par xemple fini paris-marseille en une seule traite à 120 km/h), et adapter nos modes de vie en conséquence.
(*) : je ferai ultérieurement dans le sujet dédié un petit exposé sur les perspectives de marché des voitures électriques suite à mes discussions post conférence que j'avais évoquées plus haut.
Essai de résumé d'après mes souvenirs embrumés de béotiens (donc pas très fiables surtout pour les chiffres) de cette fameuse conférence organisé par le groupe centrale énergie !
NB : en demandant votre inscription (procédure un peu lourde que je n'ai pas encore suivie
), vous pouvez avoir accès au forum et aux transparents de toutes les conférences, et voir ainsi si je n'ai pas raconté trop de bêtises.Elle comprenait deux exposés complémentaires, l'un par l'intervenante de SAFT consacré aux évolutions du marché de la batterie automobile à venir, aux spécifications associées, aux développements en cours et aux aspects production ; l'autre par un intervenant du CEA, plus technique et plus focalisé sur les aspects internes et l'électrochimie des batteries et sur les axes de recherche à venir. Je vais dans le résumé ci-dessous entremêler ces deux exposés.
Le marché de la traction électrique des automobiles (*) va bientôt naître et SAFT a identifié 4 segments futurs :
- le Start and Stop appelé à un déploiement massif-->aucune difficulté technologique pour ce segment qui demande des basses tensions et des puissance assez faiblez. Les technologies de batterie sont déjà là (NdR : on se demande d'autant plus pourquoi, à l'heure actuelle, toujours si peu de véhicules en sont équipés
) - Le mild-hybride avec des batteries de moyenne capacité mais demandant de délivrer des puissances significatives
- Le full hybride plug-in avec de batteries de capacité importante et de la puissance
- le véhicule électrique avec des batteries de capacité très importante
Les premières batteries développées de ce type étaient au lithium sous forme métallique (le meilleur potentiel en capacité massique), mais ça a été rapidement abandonné, pour des raisons de sécurité.
En effet, comment est constituée une batterie de type lithium ? Elle est composée d'une anode et d'une cathode baignant dans une électrolyte. Que se passait-il avec le lithium métal (solide) ? A force de migrations, en phase de charge, des dendrites de métal se formaient et croissaient, et finissaient par mettre la batterie en court circuit.
Seul Bolloré Batscap poursuit actuellement sur la voie du lithium métal mais en utilisant un polymère gel comme électrolyte qui empêche la formation de ces dendrites (nécessité de fonctionner à 60-80°C pour optimiser la conductivité du polymère). Pour ceux qui veulent approfondir le sujet : http://www.imprimerie.polytechnique.fr/Theses/Files/Teyssot.pdf
Tous les autres industriels se sont tournées vers la batterie lithium-ion, dans laquelle le lithium que ce soit à l'anode ou à la cathode, est associé à d'autres éléments et n'est jamais sous forme métallique.
A quels besoins des catégories de véhicules citées ci-dessus doivent répondre ces batteries et pourquoi prend t-on tant de temps pour mettre sur le marché des batteries Li-Ion pour véhicules alors que l'on en fait un tas depuis quelques années déjà pour nos petits appareils électroniques. C'est la même techno de base, mais les spécifications sont nettement plus drastiques :
- pour une autonomie acceptable, capacité requise nettement plus importante avec des contraintes en poids et volume fortes
- puissance massique élevée notamment pour hybride et hybride plug-in
- durée de vie égale à celle du véhicule (10 à 15 ans) au lieu de 2 ans pour nos portables. A noter que la batterie qui était un consommable avec les batteries de démarrage devient un système de la voiture qui la suit toute sa vie.
- conditions de fonctionnement en environnement nettement plus sévères (plage de température extérieure, vibrations,...)
- sécurité en fonctionnement normal ou accidentel (crash) élevée
- coût au Kwh acceptable
- filière fermée du lithium à développer (de la mine au traitement des déchets et recyclage du Li)
Les problèmes de sécurité sont de deux ordres :
- forte réactivité chimique du lithium à une certaine température -->possibilité de violentes réactions exothermiques avec l'électrolyte
- l'électrolyte est souvent composée de liquides organiques fortement inflammables --> problèmes en cas de fuite (intempestive ou en cas de crash)
Il est difficile de garder une capacité optimale (>80% initiale) au bout de la vie du véhicule, en cas de décharge profonde notamment qui est un des facteurs prépondérants (la température joue aussi) dans le cyclage des batteries. Pour cela mais aussi à l'égard des puissances et capacités massiques, des recherches ont lieu sur les formules chimiques des cathodes, les anodes (d'où toutes ces différentes sortes de batteries Li-Ion, par exemple LiFePo pour l'anode) et aussi l'épaisseur des membranes en cas de gel-polymère.
Actuellement, SAFT pense être arrivé avec ses batteries Li-Ion maison à un bon compromis qui respecte ces différentes exigences (contraintes de performance, sûreté de fonctionnement et coût) d'où la commercialisation imminente de leurs batteries Li-Ion sur les Mercedes S400 hybride et consoeurs allemandes. La formule anode-cathode choisie est un peu moins performante que d'autres en terme de capacité massique, mais plus stable et plus sûre (contrainte bien sûr prioritaire).En terme de performances, on doit être sur les batteries en développement aux alentours de 150Wh/kg (je crois que c'est plutôt 120Wh/kg pour la batterie SAFT) et on pense pouvoir arriver au maximum à 250Wh/kg avec les technos en développement (on doit déjà y arriver en labo). Après avec l'introduction de silicium (à l'anode de mémoire, mais je ne suis plus sûr, j'avais pas trop pigé l'apport du silicium), on pourrait passer peut-être à 300Wh-350Wh/kg, mais c'est à long terme. En gros, les ordres de grandeur ne changeront pas drastiquement quoiqu'on fasse, face aux carburants fossiles.
C'est pareil pour les coûts. De mémoire, on doit être à 1000 €/ Kwh et on pense pourvoir descendre à terme, effet de série compris, à 250 ou 300 €/Kwh. Anoter que la fabrication des batteries SAFT Li-Ion est un procédé automatisé à 85%, ce qui rend, d'après l'intervenante, les délocalisations pas forcément intéressantes (la nouvelle usine des batteries prochainement commerrcialisées est en France).
Divers :
- Le CEA fait également des recherches sur les batteries Li-ion orientées puissance pour les hybrides.
- Selon toute vraisemblance la technologie NiMH subsistera parallèlement pendant un certain temps.
- BMW a travaillé sur une association Batteries au plomb et super-condensateur, mais le coût de ces derniers composants reste rédhibitoire pour l'instant.
Conclusion :
La techno Li-Ion avec des performances jugées acceptables du point de vue de l'utilisateur est mûre pour la mise sur le marché (première commercialisation imminente). Elle sera progressivement améliorée au fil de la RetD. Mais sans rupture en terme de performances et coûts. Dans un monde pratiquement sans pétrole, il faudra donc savoir renoncer à certains usages actuels de la voiture (par xemple fini paris-marseille en une seule traite à 120 km/h), et adapter nos modes de vie en conséquence.
(*) : je ferai ultérieurement dans le sujet dédié un petit exposé sur les perspectives de marché des voitures électriques suite à mes discussions post conférence que j'avais évoquées plus haut.
Bonjour, 
À bientôt, en Sologne 
