23 Batteries électrochimiques de nouvelle génération
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23 Batteries électrochimiques
de nouvelle génération
Loisirs
& culture
ÉNERGIE, ➤ Correspond à
MOBILITÉ, une technologie clé 2015
Numérique
Environnement, Habitat,
Santé et bien-être, Sécurité
Alimentation
MOTS CLÉS
Batteries électrochimique ; Li-ion ;
Sodium-soufre ; Redox Flow ;
© ERENAULT MARKETING 3DCOMMERCE
Technologies clés 2020 n 409
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Définition et périmètre soufre (pôle positif). L’électrolyte solide intermédiaire
est une céramique d’alumine. Elles présentent une
Le principe du stockage électrochimique est de conser-
haute densité énergétique et une bonne cyclabilité.
ver l’énergie électrique sous forme chimique. Les sys-
Elles emploient des matériaux corrosifs et fonctionnent
tèmes de stockage électrochimiques sont extrême-
à haute température (de 300 à 350 °C). Cette tech-
ment intéressants car l’énergie stockée est directement
nologie est adaptée pour les applications « grande
convertie en énergie électrique : l’électricité et l’éner-
échelle » telles que les industries électro intensives, les
gie chimique partagent le même vecteur énergétique,
grands systèmes de back-up… Enfin, ces batteries ont
l’électron. Le process électrochimique ne requérant
une grande efficacité (jusqu’à 90 %) et une forte den-
pas de transfert de chaleur, il est très efficace et typi-
sité énergétique.
quement les rendements de conversion des batteries
sont supérieurs à 85 %. Batterie à flux circulants (Redox flow) L’énergie
est stockée suivant le même mode que pour les piles
Une batterie est un système composé de cellules élec-
à combustibles. Elles sont constituées de 2 demi-
trochimiques mises en réseau. La puissance et l’éner-
cellules, l’une pour l’oxydation, l’autre pour la réduc-
gie stockées vont être fonctions de la configuration de
tion, séparées par une membrane échangeuse d’ions.
mise en réseau et du nombre de cellules. La capacité
de stockage de puissance et d’énergie varie en fonction La puissance produite est fonction de la taille de la
des technologies (plomb-acide, nickel-cadmium, nickel- membrane tandis que la quantité d’énergie dépend
hydrure métallique, lithium-ion, lithium-polymère, de la taille du réservoir d’électrolyte. Les batteries à
sodium-soufre, zebra). flux ont l’avantage de nécessiter peu de maintenance,
d’être propres et d’avoir une durée de vie importante.
Les batteries acides avancées Elles sont une évolu-
tion des batteries acides traditionnelles. Les électrodes
en carbone permettent d’augmenter la cyclabilité et
l’élasticité de la charge. Cette technologie est déjà
employée pour le stockage d’électricité du réseau élec-
trique général.
Les piles à combustible, qui sont également des dispo
sitifs électrochimiques, sont incluses dans la fiche Tech-
nologies de l’hydrogène du présent ouvrage.
On peut citer également les supercapacités. Elles
Cellules électrochimique d’une batterie permettent de délivrer en un temps court, une puis-
(Source: Automotive Energy Supply Corporation, 2007) sance importante. Elles peuvent être couplées avec
Il existe plusieurs types de batteries, se différenciant une batterie afin de créer un système combinant les
par les espèces chimiques mises en jeu : bénéfices des deux technologies. Les développements
des supercapacités portent sur l’augmentation de la
Li (Li-ion & Li-polymère) Les batteries Li-ion utilisent densité d’énergie.
un composé du lithium comme matériau électrode.
Elles possèdent une grande densité d’énergie et né- De nombreuses technologies de batteries sont en
cessitent peu de maintenance. Néanmoins, elles pré- émergence : Li-S, Li-air, Na-ion ou encore le tout solide.
sentent des risques en cas de surcharge, des coûts de
fabrication élevés et sont difficilement recyclables. Les Pourquoi cette technologie
batteries Li-Polymère sont une catégorie de batteries est-elle clé ?
au lithium dont l’électrolyte est un polymère micropo-
Le marché des véhicules électriques est encore
reux. Celles-ci présentent des risques, mais aussi une
émergent et leur source d’énergie est un enjeu clé.
densité d’énergie, moins importants.
L’industrie européenne des batteries est en retard,
Sodium-soufre (Na-S) Les électrodes liquides sont celle d’Amérique du Nord également, mais dans une
des formes ioniques de sodium (pôle négatif) et de moindre mesure avec des effets d’échelle attendus
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avec les développements, notamment de la Tesla. Il y de charge. Elles sont des éléments du développement
a un fort risque que lorsque le marché des véhicules des énergies renouvelables intermittentes, telles que le
électriques sera mature, les acteurs asiatiques soient photovoltaïque ou l’éolien.
devenus les leaders incontestés de la fabrication des
La France a fait des batteries pour véhicule une de ses
cellules ou des batteries, déplaçant la chaîne de valeur
priorités, en l’inscrivant dans sa liste des 9 solutions
de la mobilité électrique vers l’Asie.
industrielles de son plan de la nouvelle France indus-
Les batteries électrochimiques de nouvelle génération trielle. En outre, le stockage de l’énergie est la pre-
permettent de faciliter l’intégration des énergies re- mière des sept priorités de la commission « Innovation
nouvelables sur le réseau et de mieux gérer les pointes 2030 ».
de consommation électrique en effectuant du report
Liens avec d’autres technologies clés
Les technologies clés qui influencent Les technologies influencées
les Batteries électrochimiques par les Batteries électrochimiques
de nouvelle génération sont : de nouvelle génération sont :
1 Matériaux avancés et actifs 2 Capteurs
2 Capteurs 22 Réseaux électriques intelligents
Modélisation, simulation et ingénierie
4 42 Solaire photovoltaïque
numérique
45 Technologies pour la propulsion 43 Energies éoliennes
45 Technologies pour la propulsion
Les marchés représentant une capacité de 47 GWh est composée
des technologies Lithium (environ 37 GWh), NiCd
Marché global Le marché mondial des batteries élec-
(environ 3GWh), NiMH (environ 5 GWh), et autres so-
trochimiques (toutes applications confondues) s’est
lutions (environ 2 GWh) telles que les batteries à flux
élevé à environ 380 GWh en 2013. Il est dominé à
redox et NaS (source : Avicenne energy, 2014).
90 % par les batteries acides. L’autre part du marché
Répartition du marché mondial des batteries électrochimiques (en capacité électrique GWh) par technologie
de batterie - toutes applications confondues (source : Avicenne energy, 2014)
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En termes de revenus, le marché global1 en 2013 s’est tage entre environ 10Md $ pour l’électronique grand
élevé à 54 milliards de dollars : 33 milliards de dollars public, environ 1,4 Md $ pour les vélos électriques,
(Md $) pour les batteries acides, 18 Md $ pour les bat- 10 Md $ pour l’industrie (chariots élévateurs, stockage
teries au lithium, 1 Md $ pour les NiMH, 2 Md $ pour stationnaire pour les télécommunications, médical,
les autres solutions. éclairage de secours), 4 Md $ pour le transport élec-
trique (EV) ou hybride (HEV), 5 Md $ pour les outils
Les applications Le segment applicatif le plus impor-
électriques incluant les outils pour le jardinage, et
tant est celui des batteries pour le démarrage, l’éclai-
environ 2 Md $ pour les applications diverses (chaise
rage et l’allumage (SLI) des voitures, bateaux, camions,
roulante, outils médicaux, etc.).
etc : il représente 20 Md $. Le reste du marché se par-
Répartition du marché mondial des batteries électrochimiques (en chiffre d’affaire) par application
(toutes technologies de batteries électrochimiques confondues) (source : Avicenne energy, 2014)
Automobile L’automobile représente 5 GWh des global des batteries pour les véhicules électriques en
ventes mondiales, soit un marché de 2,1 Md $ en 2020 (source : Research Market, 2012).
2013. Ces véhicules utilisent des batteries Li-ion et
Applications à grandes échelles Le chiffre d’affaires
NiMH. En 2013, la technologie Li-ion comptait pour les
mondial des cellules pour les applications à grande
deux tiers des ventes de batteries dans l’automobile en
échelle est de 221,8 millions de dollars en 2014. Il
termes d’énergie. Selon des prévisions de croissance,
devrait atteindre 17,8 milliards de dollars en 2023. Les
elle devrait être la seule technologie utilisée à l’hori-
batteries Li-ion sont les plus utilisées sur le marché des
zon 5 à 10 ans, avec une croissance annuelle de 20 %
batteries reliées au réseau électrique général (source :
par an, pour atteindre 10 Md $ en 2025 (source :
Navigant Research, 2014). Le déploiement de l’éolien
Avicenne energy, 2014).
et du photovoltaïque devrait tirer ce marché.
Le coût du pack de batteries a diminué très rapide-
Investissements industriels La capacité de pro-
ment depuis 2006, passant de 1300 dollars par kWh à
duction de batteries sur le territoire européen est en
410 dollars par kWh en 2014. Les entreprises leaders
retard par rapport à l’Asie et l’Amérique du Nord.
telles que Tesla Motors et Renaud-Nissan affichent
Les investissements prévus jusqu’en 2015 en Europe
même des coûts inférieurs à 300 dollars par kWh
représentent moins de 5 % de l’investissement total
(source : B. Nykvist et al., 2015).
mondial. En Europe, la France, avec SAFT et BATSCAP,
En France, le revenu généré par le marché des bat- mais aussi RENAULT, est bien positionnée (source :
teries pour véhicules électriques était de 380 M$ en The European Association for Advanced Rechargeable
2012. La France devrait représenter 16,2 % du marché Batteries, 2013). Cependant, replacé à l’échelle mon-
diale, l’investissement de ces acteurs en Europe est
faible.
1 – Pack de batterie (cellules, cellules assemblées et connecteurs mais ne contient
pas l’électroniques de puissances telles que les convertisseurs de courant continue)
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Montant des investissements totaux (millions de dollars) pour la fabrication de batteries Lithium-ion
(Source : Avicenne Énergie, 2014)
Les défis technologiques se sont organisés dans le cadre d’un réseau européen :
ALISTORE-ERI, initié et mené par des acteurs français.
à relever
Les batteries électrochimiques de nouvelles généra-
La France est plutôt bien positionnée dans le paysage
tions ont en commun nombre d’enjeux et de verrous :
européen, mais celui-ci est en retard par rapport aux
■■ diminuer les coûts,
acteurs asiatiques qui investissent beaucoup et à tous
niveaux de la chaîne de l’innovation. Dans l’hexagone, ■■ augmenter la capacité de stockage (densité énergé-
les acteurs de la R&D sont cependant bien présents tique et/ou puissance),
avec des innovations à horizon 10 à 15 ans. Les acteurs ■■ augmenter les rendements de stockage/déstockage,
Technologies clés 2020 n 413
TC2020.indd 413 4/28/16 3:49 PM■■ améliorer la durée de vie, coût de moitié. Ainsi pour le marché des véhicules
■■ réduire l’impact environnemental (éléments non
électriques (EV), l’objectif est d’atteindre un coût du
toxiques, recyclables), pack de 100 à 150 $/Wh à l’horizon 2020 (sources :
ambassade française au Japon & DOE 2012). Tesla a
■■ préserver les ressources (matériaux abondants), annoncé viser le seuil bas de cette fourchette pour
■■ améliorer la sécurité. ses batteries d’ici une décennie2. L’objectif de den-
Les objectifs chiffrés pour les batteries sont l’amélio- sité énergétique est 200-300 Wh/kg, contre environ
ration de la durée de vie à 15 ans et la réduction du 100 Wh/kg aujourd’hui).
Coût de batterie pour voiture électrique (batterie de dimension moyenne 30kWh) [source : element energy, 2012]
Les principaux travaux menés pour répondre à ces Cathode Les cathodes ont des performances de 120 –
défis sont les suivants : 160 mAh/g en utilisant des oxydes stratifiés, des spi-
nelles et des olivines. Des oxydes multi-stratifiés, des
Na-ion La substitution du lithium (Li) par le sodium
phosphates métalliques et des surfaces structurées
(Na) permet de réduire d’environ 35 fois le coût lié à
pourraient permettre d’atteindre 300 mAh/g.
cet élément. Le Na permet également de développer
des batteries répondant aux enjeux du développement Électrolyte Les liquides organiques, les solvants et
durable. Néanmoins, ces batteries sont moins perfor- les gels autorisent des tensions jusqu’à 4 Volts. La
mantes que les Li-ion et il faut par conséquence axer nouvelle génération de batteries vise des tensions de
les efforts de R&D dans cette direction. La technologie 5 Volts en utilisant des électrolytes à haut voltage, des
Na-ion devrait être commercialisée dans les 5 à 10 ans. électrolytes pour le lithium métal, des électrolytes inin-
flammables.
Systèmes hybrides L’hybridation de systèmes de stoc-
kage consiste à combiner deux ou plusieurs technolo- Gestion active des batteries De nouveaux déve-
gies de batteries afin de compenser les défauts d’un loppements peuvent améliorer les performances et la
système par les avantages d’un autre. Ces architectures sécurité tout en diminuant le coût.
peuvent s’appliquer aux systèmes photovoltaïques pour
Tests de sécurité La sécurité des batteries peut être
lisser la production d’énergie. Le développement porte
un frein à leur commercialisation. Un exemple de
sur l’optimisation de l’intégration sur le réseau.
risque associé aux batteries Li-ion est le dégagement
Anode Les anodes de graphite et de carbone dur de gaz toxiques lors de la combustion accidentelle du
atteignent des performances de 300 mAh/g. Pour la système. L’évaluation précise des risques, de façon à
nouvelle génération d’anodes, composée d’intermé- les maîtriser et orienter les recherches en conséquence
talliques et de liant, les nanophases d’oxyde métal- est primordiale (test de surcharge, court-circuit, chauf-
lique ou encore les adhésifs conducteurs devraient fage adiabatique, etc.).
permettre d’atteindre 600 mAh/g.
Recyclage Les procédés pour le recyclage des bat-
teries existent. Néanmoins les boucles actuellement
utilisées pour les batteries au lithium doivent être
2 – Straubel (CTO et co-founder de Tesla) à la convention annuelle du “the Edison
Electric Institute” qui s’est tenue à la nouvelle Orléans le 11 juin 2015. adaptées aux batteries de véhicules électriques.
414 n Technologies clés 2020
TC2020.indd 414 4/28/16 3:49 PMLes défis commerciaux peut ouvrir le marché du stationnaire « grand public »
aux batteries au lithium.
et d’usage à relever
L’industrie française de la fabrication de batteries est Les enjeux réglementaires
bien positionnée en Europe. Néanmoins cette dernière
Les réglementations liées aux batteries concernent
a une capacité de production très largement inférieure
le plus souvent leur utilisation dans la mobilité. Plus
à celle des zones Asie et Amérique du Nord. L’industrie
que pour d’autres applications, la mobilité implique
asiatique notamment est supportée par le fort déve-
des risques d’agressions mécaniques, électriques et
loppement du marché des batteries pour les applica-
thermiques qui doivent être maîtrisés afin de garan-
tions grand public (source : E-mobility Roadmap for
the EU battery industry, 2013). tir la sécurité des personnes à l’intérieur et à l’exté-
rieur du véhicule (source : INERIS). Les batteries Li-ion
Les acteurs leaders du marché ont consenti des inves- sont également concernées par les réglementations
tissements conséquents pour la création d’outils indus- de transport des matières dangereuses : ce cadre
triels permettant d’obtenir des économies d’échelle. regroupe leur transport en tant que marchandise. Le
Par exemple, Tesla, avec le japonais Panasonic, a in-
cadre réglementaire des véhicules prévoit également
vesti 5 milliards de dollars dans une usine géante au
la sécurité électrique.
Nevada (États-Unis).
L’Institut national de l’Environnement industriel et des
Les fabricants de batteries et les utilisateurs cherchent
risques (INERIS) a développé la certification ELLICERT
encore le modèle économique optimal. L’échec de Bet-
pour des batteries, des cellules et des packs destinés
ter Place sur le « battery switching » en est un exemple.
aux véhicules électriques et hybrides rechargeables.
Les modèles de partenariats entre les motoristes et les
Cette certification attribue un niveau ou une classe de
fabricants de batteries sont diversifiés :
sécurité (3 classes A, B et C) en fonction de la résis-
■■ Renault a signé un accord en 2014 avec Bolloré pour tance à des dysfonctionnements ou agressions élec-
l’utilisation des batteries de ce dernier triques, mécaniques ou thermiques. Les exigences
■■ Tesla assemble des cellules fabriquées par PANASONIC requises ont été définies en collaboration avec les
fabricants de batteries, les constructeurs automobiles
■■ …
et les gestionnaires de flottes, les experts nationaux
Le marché du stockage pour le stationnaire est limité de la filière, une organisation de consommateurs
avec beaucoup de concurrence et des technologies et une représentation des collectivités territoriales
très hétérogènes : STEP, volant à inerties, hydrogène,
(source : INERIS).
etc. Le principal inconvénient des batteries réside dans
le coût de l’installation. L’utilisation des batteries pour Le domaine du stockage stationnaire ne bénéficie
le réseau électrique nécessite de bas coût et une main- pas de réglementation spécifique. Les matériaux uti-
tenance limitée. lisés dans la fabrication des batteries électrochimiques
sont soumis au système européen d’enregistrement
Tesla a très récemment lancé une offre pour le stockage
REACH.
résidentiel. La batterie est destinée à être rechargée
par le biais d’énergies renouvelables ou sur le réseau La directive européenne 2006/66/EC sur les DEEE im-
électrique général. Le coût relativement bas de ce sys- pose un taux de recyclage de 50 % pour les batteries
tème, par rapport aux systèmes actuels ($250 / kWh), lithium ion (source : Roadmap eurobat e-modility).
Technologies clés 2020 n 415
TC2020.indd 415 4/28/16 3:49 PMAnalyse AFOM
ATOUTS FAIBLESSES
Acteurs de la recherche de premier plan, Peu d’infrastructures de recherche avale
leaders sur le périmètre européen, (plateformes, instituts de recherche),
et organisés en réseau
Trop faibles investissements industriels,
Plusieurs grands industriels à tous
les niveaux de la chaîne de valeur, Taille de la production insuffisante
y compris la fabrication des cellules. pour réaliser des économies d’échelle.
OPPORTUNITÉS MENACES
L’affirmation d’une ambition nationale via Très lourds investissements
les 9 solutions industrielles françaises, des acteurs historiques des batteries pour
l’électronique grand public, mais aussi
Besoin de moyens des stockages des acteurs chinois et américains,
de l’énergie pour les énergies intermit qui visent l’atteinte des objectifs
tentes, notamment dans les DOM-TOM, de réduction des coûts de production
développement des véhicules hybrides
et électriques. Ressources de R&D
importantes au niveau européen
(programmes H2020 énergie et transports)
Facteurs clés de succès et recommandations
Un soutien aux nouvelles générations de batteries L’abaissement du coût dans le domaine des batte-
électrochimiques doit être apporté au niveau de la ries dépend fortement des effets d’échelle, l’inves-
recherche et du développement afin de maintenir tissement à l’échelle industrielle doit être encou-
un haut niveau de compétences. ragé.
416 n Technologies clés 2020
TC2020.indd 416 4/28/16 3:49 PMActeurs clés :
Entreprises Arkema, Blue Solutions ( ex-BATSCAP), E4V, Easyli, EDF, Hutchinson,
NawaTechnologies, SAFT, Saint Gobain – Cree, Saint Gobain Glass – Crdc, Solvay,
Solvonic …
Instituts Carnot CIRIMAT, Energies du Futur, ICEEL …
Autres centres CEMHTI(Orléans), ICG-AIME (Montpellier), ICMCB, ICR, IEMN, IMN, IPREM (Pau),
de recherches IS2M (Mulhouse), LCMCP (Paris), LEPMI, LG2A, LRCS (Amiens), MADIREL,
PECSA - Laboratoire Physicochimie des Electrolytes, Colloïdes et Sciences
Analytiques …
Pôles de compétitivité Mov’eo, Tenerrdis…
Position des acteurs français
Position des entreprises françaises Position des acteurs académiques français
dans la compétition mondiale dans la compétition mondiale
En position de leadership En position de leadership
Dans la moyenne Dans la moyenne ●
En retard ● En retard
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