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)
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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
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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
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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
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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
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Source image : PROCESSES FOR PREPARING LITHIUM HYDROXIDE, patent CA2905197 C
Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Activité de Nemaka Lithium:
Li2SO4
LiOH.H2O ou Li2CO3
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Confidentiel - Property of Nemaska Lithium
Li2SO4 LiOH.H2O
LiOH.H2O LiFePO4 + Li2SO4
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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
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Source image : https://inhabitat.com/tag/lithium-ion-batteries/ Confidentiel - Property of Nemaska LithiumApplication 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 LithiumHistorique 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 LithiumBrevet 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 LithiumActivité 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 LithiumÉconomie 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
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Source : adapté de https://www.encyclo-ecolo.com/Epuisement_des_ressources, mai 2014Confidentiel - Property of Nemaska LithiumÉconomie 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 LithiumQuels 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 LithiumÀ 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 LithiumQuels 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 LithiumLes 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 LithiumLes 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 LithiumLe 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,
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