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
La technologie
 électrochimique au service
de l'économie circulaire chez
      Nemaska Lithium

23 Novembre 2017

Thomas Bibienne, Jean-Francois Magnan
La technologie électrochimique au service de l'économie circulaire chez Nemaska Lithium - 23 Novembre 2017
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
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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
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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
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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
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Famille de brevet #6: Préparation de LiOH.H2O
- cellule 2 ou 3 compartiments

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                                               H2(g)    LiOH                          O2(g)   H2SO4

                                    Exemple d’électrolyse membranaire
                                                                                                             6 / 22
Source image : PROCESSES FOR PREPARING LITHIUM HYDROXIDE, patent CA2905197 C
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Revalorsation de l’acide dans le procédé
                                                Reconcentration
                                                  de H2SO4

                                                                                                             7 / 22
Source image : PROCESSES FOR PREPARING LITHIUM HYDROXIDE, patent CA2905197 C
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Activité de Nemaka Lithium:

                  Li2SO4

            LiOH.H2O ou Li2CO3

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Li2SO4       LiOH.H2O

LiOH.H2O   LiFePO4 + Li2SO4

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‘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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