La technologie électrochimique au service de l'économie circulaire chez Nemaska Lithium - 23 Novembre 2017
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La technologie électrochimique au service de l'économie circulaire chez Nemaska Lithium 23 Novembre 2017 Thomas Bibienne, Jean-Francois Magnan
Sommaire Notre activité (3-7) & Activité industrielle avec NMX (8-10) LiFePO4 Application, historique et brevets (11-13) De à Historique et activités avec NMX (14) Économie circulaire des batteries Li-ion (15-22) 2 / 22 Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Le Québec : emplacement et juridiction de choix 1. Mine et concentrateur situés dans la région de Eeyou Istchee, Baie-James, à 300 km au nord de Chibougamau • 1,1 Mt de minerai par an • 213 kt de concentré de Li2O à 6 % par an • 240 employés 2. Transport par camion vers Chibougamau et 555 km en train (CN) vers Shawinigan Positionnée pour devenir un • 18 wagons / 3 jours un producteur de lithium totalement intégré 3. Potentiel de l’usine hydro-métallurgique de Nemaska Shawinigan selon l’étude de faisabilité • 27,6 kt de LiOH.H2O par an Chibougamau Matagami • 3,26 kt de Li2Co3 par an Saguenay • 90 employés Val-d’Or Rouyn-Noranda Québec Shawinigan Montréal 3 / 22 Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Usines hydro-métallurgiques Bâtiments existants à Shawinigan (Québec) Usine hydroélectrique Usine commerciale Mise en service prévue au 2ème semestre 2019 Usine de phase 1 Mise en service au 1er trimestre 2017 4 / 22 Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Procédé Nemaka Lithium: du spodumène à l’hydroxide de lithium Procédé de calcination et de cuisson Concentré Calcination Cuisson avec Solution de acide sulfurique sulfate de lithium Le procédé breveté de Nemaska Lithium: produire directement du LiOH.H2O Solution d’hydroxyde Électrolyse Échange ionique Élimination d’impuretés de lithium membranaire Élimination d’impuretés (niveaux ppb) Élimination Fe, Al, Si, Cu, Ca, Mg Hydroxyde de lithium monohydrate Procédé exclusif de production LiOH.H2O directe de LiOH.H2O sans : Na2CO3, NaOH Cristallisoir Carbonate de lithium ou de sous-produit Na2SO4 Li2CO3 Brevets canadiens, américains, australiens et plusieurs en instance dans de multiples pays 5 / 22 Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Famille de brevet #6: Préparation de LiOH.H2O - cellule 2 ou 3 compartiments revalorisés H2(g) LiOH O2(g) H2SO4 Exemple d’électrolyse membranaire 6 / 22 Source image : PROCESSES FOR PREPARING LITHIUM HYDROXIDE, patent CA2905197 C Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Revalorsation de l’acide dans le procédé Reconcentration de H2SO4 7 / 22 Source image : PROCESSES FOR PREPARING LITHIUM HYDROXIDE, patent CA2905197 C Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Activité de Nemaka Lithium: Li2SO4 LiOH.H2O ou Li2CO3 8 / 22 Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
‘Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme’, Antoine Lavoisier, Traité élémentaire de chimie, 1789 initialement énoncé par Anaxagore de Clazomènes (450 av. J.-C.) Li2SO4 Fabricant X + LiFePO4 LiOH.H2O 10 / 22 Source image : https://inhabitat.com/tag/lithium-ion-batteries/ Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Application du LiFePO4 (LFP) dans les batteries lithium-ion Volume de LFP xV.É.: Voitures électriques (hors Chine) produit, 2015 Chevrolet Spark jusqu’en 2015 Bolloré Bluecar Outils, xV.É. E-vélos 0,3% 8,4% Autres 4,8% Industrie Exemples d’utilisation 12,6% 26 Mai 2017: Novabus (batteries A123) va équiper la ville de MTL en E-bus xV.É. Chine 20,5% 25 Août 2017: BYD : projet de 180MW à Sao Paulo, Brésil (environ 140 000 maisons d’alimentées en électricité) E-bus 14 Septembre 2017: BYD: projet d’un système de 53,4% stockage résidentiel - plus grande installation photovoltaïque en Nord-Amérique de 170MW Sources : https://www.pv-magazine.com/2017/08/25/byd-scores-180-mw-order-in-brazil/ http://www.novabus.com/media/press-releases/nova-bus-equips-the-city-of-montreal-with-its-first-fully-electric-buses.html http://www.byd.com/news/news-412.html adapted from The Rechargeable Battery Market and Main Trends 2016-2025, Christophe Pillot, International Battery, March 2017 The Development and Future of Lithium Ion Batteries, George E. Blomgren, Journal of The Electrochemical Society, 164 (1) A5019-A5025 (2017) 11 / 22 https://qz.com/1083571/nine-years-ago-warren-buffett-put-a-bet-on-byd-then-an-unknown-chinese-cellphone-battery-maker/ Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Historique sur le LiFePO4 (LFP) 23 Avril 1996 Découverte du LFP + Hydro-Québec en tant que licencié par l’équipe de John B. Goodenough exclusif Cathode materials for secondary (rechargeable) lithium batteries Enrobage de carbone des particules de 30 Avril 1999 LFP – 2 brevets Electrode materials with high surface conductivity Structure cristalline Method for synthesis of carbon-coated redox 26 Sept 2000 du LiFePO4 materials with controlled size 14 Nov 2003 Brevet par Süd-Chemie pour la commercialisation du LFP Lithium metal phosphates, method for producing the same and use thereof as electrode material Source : Padhi et al., Phospho-olivines as Positive-Electrode Materials for 12 / 22 Rechargeable Lithium Batteries, Journal of the Electrochemical Society, Vol. 144, No. 4, April 1997 Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Brevet de Süd-Chemie (maintenant JMMB) 14 Nov 2003 Brevet par Süd-Chemie pour la commercialisation du LFP Lithium metal phosphates, method for producing the same and use thereof as electrode material Gerhard Nuspl, Lucia Wimmer, Max Eisgruber Synthèse hydrothermale de LFP selon la réaction FeSO4.7H2O + H3PO4 + 3LiOH.H2O → LiFePO4 + Li2SO4 + 11H2O Sulfate de Acide Hydroxyde de Sulfate de Fer phosphorique lithium lithium Synthèse hydrothermale: • bon contrôle de la taille de particules • synthèse d’un composé de haute pureté, en quelques étapes et à température modérée (175°C) • industrialisation possible vs. échelle laboratoire Sources : Lithium metal phosphates, method for producing the same and use thereof as electrode material Réacteur Parr Gerhard Nuspl, Lucia Wimmer, Max Eisgruber de laboratoire – S. Franger, F.L. Cras, C. Bourbon, H. Rouault, Electrochem. Solid State Lett. 5 (2002) A231 1 à 2L S. Yang, P.Y. Zavalij, M.S. Whittingham, Electrochem. Commun., 3 (2001), p. 505 13 / 22 http://www.parrinst.com/products/stirred-reactors/ Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Activité de JMMB et lien avec Nemaska Historique : de Phostech Lithium à Johnson Matthey Matériaux de Batterie 21 Avril 29 Oct 2001 2005 2011 2014 Création de Süd-Chemie: Clariant rachète Rachat par Johnson- Phostech Actionnaire majeur Süd-Chemie Matthey Lithium par de Phostech Michel Gauthier Lithium Lien entre JMMB et NMX Signature d’un MOU pour fournir 1er envoi d’1 tonne 2nd envoi de du LiOH à JMMB de LiOH grade 3.5 tonnes de à long-terme batterie à JMMB LiOH à JMMB 04 Oct 11 Mai 5 Mai 2012 2016 2017 19 Nov 17 Avril 20 Juin Accord de 2015 Paiement de 2017 JMMB approuve 2017 collaboration avec $12M de JMMB LiOH envoyé Phostech Lithium pour pour P1P NMX par NMX production de LiOH 14 / 22 Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Économie circulaire autour du lithium et des matériaux pour batterie = recyclage des batteries Pourquoi recycler ? Date de fin de disponibilité des métaux * 2017 2020 2035 2050 2065 2080 2095 2110 2125 2140 Argent Plomb Pétrole Platine Fer Cobalt Aluminium 2021 2030 Tantale 2050 2064 Gaz 2087 2120 2139 Hafnium Naturel 2018 Antimoine 2038 2072 2022 Cuivre Palladium 2039 2023 Uranium Or 2040 Nickel Zinc 2048 * Les dates peuvent changer au fil des Indium 2025 découvertes ou des évolutions technologiques Étain 2028 Nous sommes assis sur une mine créée par l’Homme, contenant les principaux métaux de matériaux de cathode: - Lithium - Aluminum - Nickel - Manganèse - Cuivre - Fer 15 / 22 Source : adapté de https://www.encyclo-ecolo.com/Epuisement_des_ressources, mai 2014Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Économie circulaire autour du lithium et des matériaux pour batterie = recyclage des batteries Utilisation Récupération Nouvelles batteries Batteries usagées préparée comme matériau démantèlement pour cathode Séparation de Déchets la cathode de métalliques et l’anode plastiques Poudre avec + Concassage Li, Co, Ni, Mn, Al Poudre avec anode + Cuivre & cathode + Aluminium Source : modifié de Recovery of lithium and cobalt from waste lithium ion batteries 16 / 22 of mobile phone, Jha et al., Waste Management 33 (2013) 1890–1897 Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Quels types de batteries se trouvent autour de nous ? 3 sortes de batteries : prismatique, laminée et cylindrique Source des batteries ? Téléphone, Ordinateur, Outil, etc. Répartition des différentes formes de Répartition du marché batteries en fonction de l’application mondial des batteries en 2016 Prismatique 17% Cylindrique 41% Laminée 42% Batteries de cellulaire Batterie d’ordinateur Batterie 60 kWh Tesla Model S 6 cellules 6000+ cellules cylindriques 18650 cylindriques 18650 = = prismatique laminée Sources : adapté de The Rechargeable Battery Market and Main Trends 2016-2025, 17 / 22 Christophe Pillot, International Battery, March 2017 ; Google Images Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
À l’intérieur d’une batterie 2 électrodes, mises à Batterie distance par un séparateur cylindrique La positive = cathode, déposée sur une feuille d’Aluminium La négative Batterie 18650 = anode, Vue en coupe d’une batterie 18650 déposée sur une feuille de 2000 m Cuivre cathode Batterie séparateur laminée/prismatique anode Sources : modifié de design Considerations for Unconventional Electrochemical, A. Vlad et al., Adv. Energy Mater. 2015, 5, 18 / 22 1402115 ; http://auvac.org/newsitems/view/1082 Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Quels sont les matériaux de cathode les plus utilisés ? Évolution du marché des cathodes de 2016 à 2025: NMC = Li(NixMnyCoz)O2 2016 >180 kTonnes 2025 400 kTonnes NCA = Li(NixCoyAlz)O2 LCO LFP LCO • Le marché du NMC va exploser dans les LFP 24% 16% 36% 21% dix prochaines années LMO • Les matériaux riches en Nickel, e.g. NCA NMC NMC 9% 41% et NMC, représenteront à eux seuls 50% du LMO 26% NCA 10% marché d’ici 2025 8% NCA • Évolution plus rapide des matériaux 9% Assumption: Tesla keep Nca chemistry and have a relative success (200 000 eV sold/year in ternaires NMC versus LFP à cause de 2025 – Tesla forecast 500 000) changements dans les programmes d’incitatif des véhicules électriques Évolution de la composition des batteries dans Li-(NxMyCz)O2 dans Li-(NxCyAz)O2 Que ce soit pour les xyz batteries de chimie NMC ou %at de Ni pour les NCA, la tendance est pour les compositions riches en Nickel ! -» intérêt accru pour le LiOH vs. Li2CO3 Source : adapté de The Rechargeable Battery Market and Main Trends 2016-2025, Christophe Pillot, International Battery, March 2017 ; Raw Material to Next Generation Advanced Batteries, 19 / 22 Marina Yakovleva, FMC, AABC Conference, 19 June 2017 Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Les matériaux de cathode riches en Nickel : pour quelles applications ? 2016 – 25 kT 2020 – 59 kT 2025 – 137 kT Autres 5% xV.É. Chine Tesla 12% 14% xV.É. Chine 25% Électroniques Autres 9% 20% Tesla Tesla 39% Électroniques xV.É. 50% Autres 10% 25% 14% Outils, Vélo élect Outils, Électroniques 18% Vélo élect xV.É. 10% 16% 10% Outils, xV.É. Vélo élect 7% 18% • Distribution du marché pour la période 2016 – 2025 : 60% xV.É. - 40% autres • Le marché est dirigé par les xV.E. : BMW, VW, Chevrolet, Nissan, Kia, etc. avec du NMC et Tesla avec du NCA Source : adapté de The Rechargeable Battery Market and Main Trends 2016-2025, 20 / 22 Christophe Pillot, International Battery, March 2017 Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Les constructeurs automobiles présentent un vif intérêt pour ces oxydes lithiés riches en Nickel ! Véhicules électriques … et hybrides rechargeables vendus aux USA (2017) * modèle retiré Nouvelle publiée le 08 Septembre 2017 http://pushevs.com/2017/09/08/lg-chem-will-introduce-ncm-811-battery-cells- evs-next-year/ Sources : The Development and Future of Lithium Ion Batteries, George E. Blomgren, Journal of The 21 / 22 Electrochemical Society, 164 (1) A5019-A5025 (2017) Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Le recyclage de batteries est un problème mondial, à commencer par la Chine, plus gros marché de véhicules électriques au monde Ventes V.E. 2016 (%) Ventes V. hybrides rechargeables 2016 (%) Nouvelles immatriculations de voitures électriques (milliers) part de marché (%) ‘’China’s booming electric vehicle market is about to run into a mountain of battery waste’’ (article Quartz, 28 Septembre 2017) Batteries usagées de véhicules électriques en Chine USA Norvège Chine 2010 -» 2016 ? Source: GaoGong Industry Institute (Shenzhen, China) Sources : https://qz.com/1088195/chinas-booming-electric-vehicle-market-is-about-to-run-into-a-mountain-of-battery-waste/ 22 / 22 Rapport Agence Internationale de l’Énergie, Global EV Outlook 2017, Two million and counting Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
‘A battery will do for the electricity supply chain what refrigeration did to our food supply chain’ — Prof. Donald Sadoway, electrochemist, MIT materials science La technologie électrochimique au service de l'économie circulaire chez Nemaska Lithium Merci Thomas Bibienne, Jean-Francois Magnan
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