SÉMINAIRE BATTERIES DE TRACTION : PRINCIPE, AVANCÉES ET CHALLENGES - Valérie Sauvant-Moynot, IFP Energies nouvelles
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SÉMINAIRE BATTERIES DE TRACTION :
PRINCIPE, AVANCÉES ET CHALLENGES
Valérie Sauvant-Moynot, IFP Energies nouvelles
CNAM 20 février 2018
1
IFPEN
Un organisme public
Un centre de formation Un groupe industriel
de R&I
Un champ d’action international dans les domaines
de l’énergie, du transport et de l’environnement
INNOVER REPONSE AUX ENJEUX
200
Répondre à la demande croissante de mobilité articles/an
Gagner en efficacité énergétique
1 660 Diversifier les sources d’énergies 11 000
Améliorer la disponibilité et l’usage
brevets vivants
des ressources fossiles
2 | © 2016 IFPEN
PLAN
Partie 1 / Introduction
Quels enjeux motivent l’électrification des transports ?
Partie 2 / Principes
Les principales technologies d'accumulateurs dans les applications transport
Partie 3 / Performances et limites des batteries Li-ion
Exemples de cas d’étude @IFPEN
Partie 4 / Perspectives
Feuille de route, acteurs, Alliance européenne…
3 | © 2016 IFPEN
PARTIE 1 / INTRODUCTION QUELS ENJEUX MOTIVENT L’ELECTRIFICATION DES TRANSPORTS ? 4
LES TRANSPORTS A L’ÉCHELLE MONDIALE MOBILITÉ DURABLE
DEMOGRAPHIE IFPEN, MOOC Transport 2017
7 milliards en 2018
> 9 milliards en 2050
d’après les Nations Unies
URBANISATION POPULATION
1/3 en 1950, 1/2 en 2017, 2/3 en 2050
augmente les besoins de transport
au quotidien des personnes et marchandises
CROISSANCE ECONOMIQUE
Fait croître le nombre de véhicules
(170 véhicules/1000 habitants en 2017)
Prévision de croissance du secteur des transports dans les prochaines années !
5 | © 2016 IFPEN
POURQUOI LES TRANSPORTS CONTRIBUENT-ILS
MOBILITÉ DURABLE
A LA POLLUTION ?
Les carburants dérivés du pétrole constituent la
source d’énergie la plus utilisée dans les transports.
Les molécules de carburants fossiles contiennent
une forte teneur en C, H + S, O en option (CxHyS).
Dans les moteurs thermiques, les carburants
réagissent avec l’oxygène pendant la combustion :
Les composants qui altèrent notre santé sont des
polluants : on parle de pollution locale (villes).
Le CO2 émis est proportionnel à la consommation
de carburants ! Ce n’est pas un polluant en soi
mais il contribue au réchauffement climatique… IFPEN 2017,
On parle de pollution globale de la planète. MOOC Transport
6 | © 2016 IFPEN
REGULATION DES ÉMISSIONS POLLUANTES POUR LES
TRANSPORTS : UN ENJEU SOCIETAL MOBILITÉ DURABLE
Réglementations mises en place
progressivement au niveau national
En Europe par exemple :
1993 Euro1 : première norme sur les émissions
polluantes (CO, HC, NOx, particules) de véhicules
neufs à moteurs à combustion
La législation européenne est rendue plus sévère
tous les 5 ans environ
Actuellement cadre législatif Euro 6c
Actions locales des villes également,
accélérées depuis quelques mois par le
« diesel gate » et les dépassements de seuil
de qualité de l’air…
7 | © 2016 IFPEN
OBJECTIFS SUR LES ÉMISSIONS DE CO2 A L’INTERNATIONAL
POUR LES TRANSPORTS MOBILITÉ DURABLE
Source : ICCT, CO2 emissions from new passenger cars in the EU:
Car manufacturers’ performance in 2015, June 2016
Part des transports
14% à l’international,
près de 30% en France
FOCUS EUROPE
2015 émissions moyennes des
voitures neuves = 119,5g CO2/km
o 3 % de moins qu’en 2014
o 8 % en dessous de l’objectif 2015
2021 objectif fixé à 95 g CO2/km
2025 objectif indicatif de 68-78 g
CO2/km (Parlement européen, 2013)
Convergence des cibles d’émission de CO2 au-delà de 2020
8 | © 2016 IFPEN
EVOLUTION DES MOTORISATIONS THERMIQUES À
MOBILITÉ DURABLE
ÉLECTRIQUES OU HYBRIDES
Véhicule Véhicule
thermique électrique
Véhicule
hybride
9 | © 2016 IFPEN
L’HYBRIDATION & L’ÉLECTRIFICATION DES VÉHICULES
POUR DIMINUER LES ÉMISSIONS DE CO2 & POLLUANTS SUSTAINABLE MOBILITY
Gains des émissions mesurées au niveau véhicule en roulage :
V2
Gain CO2 1 % 2à5 6 à 10 10 à 20 20 à 30 25 à 60 60 à 80 100
Roulage ZEV km 0 0 0 à 0,5 0,2 à 3 20 à 60 50 à 160 100 à 500
Puissance kW ~1 à 2 2à5 10 à 20 20 à 60 40 à 110 50 à 125 50 à 300
Energie
0,5 à 1 0,5 à 1 0,5 à 1 1à2 5 à 18 8 à 25 15 à 85
embarquée kWh
Tension V 12 12 48 à 120 > 200 > 200 350 à 400 350 à 400
1 : Selon procédure
(NEDC) VTH Micro Micro à Mild Mild Full VHR REX VE
Niveau véhicule
Pas de mode électrique Mode électrique
Charge sustaining Charge depleting
1010 F. Badin, IFPEN : Journée électricité et mobilité, UTC novembre 2017GAIN DES ÉMISSIONS DE CO2 : VÉHICULES ÉLECTRIFIÉS MOBILITÉ DURABLE
Impact de la manufacture mais aussi du mix énergétique
11 | © 2016 IFPEN
de chaque pays…PARTIE 2 / PRINCIPES
LES PRINCIPALES TECHNOLOGIES D'ACCUMULATEUR
DANS LES APPLICATIONS AU TRANSPORT
12L’ELECTROCHIMIE EN BREF…
L’électrochimie décrit des phénomènes chimiques couplés Corrosion,
piles,
à des échanges d’énergie électrique. Ces transformations accumulateurs,
de la matière sont appelées réactions d’oxydo-réduction. électrolyseurs,
piles à
Une demi réaction redox fait intervenir une espèce sous deux formes, combustible,
l'oxydant (Ox) ou forme oxydée et le réducteur (Red) ou forme réduite. électrosynthèse
…
où n désigne le nombre d’électrons échangés
dans le couple Redox (Ox/Red). L’électrochimie se
cache partout !
Par convention, l'électrode à l'interface de laquelle se déroule une
oxydation est appelée anode, tandis que l'électrode à l'interface de
laquelle se déroule une réduction est appelée cathode.
13 | © 2016 IFPENL’ELECTROCHIMIE – RAPPELS SUITE
Le potentiel d'oxydo-réduction E (V) de chaque
couple redox permet de prévoir la réactivité des
espèces chimiques entre elles.
En présence de deux couples redox Ox1/Red1 (E10) et
Ox2/Red2 (E20), tels que E10 > E20, il est possible de
prévoir le sens d'une réaction d'oxydoréduction
spontanée en utilisant la règle dite « du gamma ».
14 | © 2016 IFPENPRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES BATTERIES
Une batterie assure la conversion réversible entre énergie électrique et électrochimique.
Elle comprend deux électrodes présentant une différence de potentiel (2 couples redox), immergées
dans un électrolyte sans contact direct, reliées par un circuit extérieur. La décharge est spontanée.
La capacité de la batterie C (en Ah) correspond à la quantité max de charges qu’elle peut échanger.
La batterie fournit de la puissance électrique (W) au circuit extérieur, égale au produit de la tension U (V)
et du courant I (A). L’énergie (Wh) est l’intégrale de cette puissance en fonction du temps.
DECHARGE CHARGE
U ≠ 0V
Source :
V. Sauvant-Moynot,
In Hybrid Vehicles,
Ed. Technip 2013
15 | © 2016 IFPENLE PLUS ANCIEN : L'ACCUMULATEUR AU PLOMB
Inventé en 1866 par G. Planté, industrialisée depuis plus de 100 ans.
En 1899, le véhicule électrique La Jamais Contente bat le record de
vitesse (105 km/h). Avec 80 cellules de batteries Pb (650kg) à son bord,
son autonomie est de 45 minutes à 90 km/h.
Utilise deux couples Redox du plomb en milieu électrolyte acide (H2SO4 aqueux)
Positive PbO2/PbSO4 : PbO2 + 2e- + 3H3O+ + HSO4- ⇄ PbSO4 + 5H2O E°+ = 1,690 V/EN
2,1 V
Négative : PbSO4/Pb : Négative : Pb + HSO4- + H2O ⇄ PbSO4 + H2O + H3O+ E°- = -0,353 V/ENH
Réaction globale : Pb + PbO2 + 2HSO4- + 2H3O+ ⇄ 2PbSO4 + 4H2O
décharge
Caractéristiques e-
10 à 40 Wh/kg suivant la technologie Pb → PbSO4 PbO2 → PbSO4
Puissance spécifique moyenne/faible, bonne puissance à froid - +
Rendement énergétique moyen (70-75%) H+
Durée de vie aléatoire suivant l’usage (éviter décharges profondes)
Autodécharge 3% par mois à 25°C H2O
Recyclabilité très bonne (> 90 %)
16 | © 2016 IFPENEXEMPLES D’APPLICATION DES ACCUMULATEURS AU PLOMB
Batterie 12 V de démarrage (6 éléments en série) Pack allant jusqu’à 240 V dans différents véhicules,
Plusieurs variantes : du fait des coûts bas, de la consommation
Ouvertes / électrolyte liquide croissante des auxiliaires et des microhybridations
VRLA Gel, AGM (stop&start….)
Adaptées à l’utilisation
Floating limitation de la corrosion
Cyclage limitation sulfatation…
è ⁄ 20%
17 | © 2016 IFPENFOCUS SUR LES ACCUMULATEURS AU LITHIUM
Lithium
L'élément le plus réducteur : E° = -3 ,V/ENH
Accès à des tensions élevées donc des énergies élevées
lorsqu'il est employé comme négative
Le plus léger des métaux et des solides (z = 3)
Accès a des propriétés massiques intéressantes
Très réactif en présence d'eau
Passage aux électrolytes non aqueux anhydres (< 10 ppm)
Fabrication des éléments en salle banche
Elément abondant sur terre (>11 MT) mais sous forme
diluée ou oxydée
N'existe pas sous forme métallique à l'état naturel
Problèmes géopolitiques pour sa production
Source : US Geological Survey (USGS) 2016
18 | © 2016 IFPENL'ACCUMULATEUR AU LITHIUM AVEC NEGATIVE METALLIQUE
Couples électrochimiques des électrodes :
Négative : Li/Li+-
Positive : matériau hôte d'insertion des ions Li+ dans lequel ils se réduisent / s'oxydent
Réactions :
Négative : Li → Li+ + e- E-° = -3 V / ENH 3-4 V
+ -
Positive : Li(1-x)Host + xLi + xe → LiHost 0 V < E+°< 1 V / ENH
Electrolyte non aqueux : sel de lithium dissout dans un solvant organique polaire
Décharge Charge
Source :
J. Bernard, IFPEN
19 | © 2016 IFPENL'ACCUMULATEUR AU LITHIUM AVEC NEGATIVE METALLIQUE
Mais...
La réduction du lithium sur la négative à la recharge ne se fait pas de manière uniforme
Au bout de plusieurs dizaines de
cycles il se forme des dendrites
qui produisent des courts circuits -e - +
e-
internes danger !
C'est pourquoi :
e-
cette technologie existe en l'état
sous forme de piles Li Li+
les accumulateurs Li métal-polymère
ont été inventés
les accumulateurs Li-ion ont également Li
métal Source :
été inventés
J. Bernard, IFPEN
20 | © 2016 IFPENL'ACCUMULATEUR LITHIUM MÉTAL-POLYMÈRE
Pour éviter les courts-circuits internes, l'électrolyte liquide a été remplacé
par un électrolyte solide qui confine la réduction du Li (M. Armand, 1973)
Électrolyte = polymère massif (ex : PolyOxyde d'Éthylène)
Mais σ ∼ 10-6 S/cm à 20°C fonctionnement acceptable pour T > 50°C
à comparer à 10-2 S/cm pour un électrolyte liquide à base de carbonate
d’éthylène (EC/DMC)
Attention aux appellations :
Noté "LMP" = lithium métal polymère
Et souvent "Lithium polymère" = Li-ion polymère... source : BATSCAP
Peu d'applications dans le domaine automobile
Présence de Li métal fortement réactif avec l'eau (production violente de H2 qui
s'enflamme instantanément)
Développé depuis plus de 10 ans par Bolloré avec la batterie Batscap
21 | © 2016 IFPENEXEMPLES D’APPLICATION
Blue bus developed and
Industrialised by Gruau Microbus,
30 kWh Battery pack a joint company with Gruau
Voltage range : 300V-450V
6 modules (5kWh / 72V each)
Battery management included
Blue car 250 km autonomy
recharge on the grid 220V
max speed = 130 km/h
6,3 s from 0 to 60km/h
22 | © 2016 IFPENBATTERIE LI TOUT SOLIDE : DE MULTIPLES POSSIBILITÉS
RESTENT A EXPLORER…
Recrudescence de la recherche dans le domaine pour fonctionnement
23 | © 2016 IFPEN
à température plus basse « technologie tout solide »L'ACCUMULATEUR LITHIUM-ION
Sony en 1990 - +
e- e-
Pour éviter la formation de dendrites, un matériau
e-
hôte a également été utilisé pour la négative Li+
Li+
Réactions (ex LiCoO2 / C) en décharge :
Li+
Négative : LiC6 → Li+ + C6 + e- Li+
Positive : Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-→ LiCoO2 e-
Electrolyte : Li+ Li+
Sel de lithium
Solvant organique aprotique polaire
Source : J. Bernard, IFPEN
Il existe autant de variantes que de matériaux d'intercalation pour les électrodes
(positive notamment) et d’électrolytes, avec de nombreux développements en cours
24 | © 2016 IFPENEXEMPLE : ACCUMULATEUR LITHIUM-ION A123S LFP/C 3,2V
Electrolyte + - Packaging
e- e-
Collecteur Collecteur
Aluminium Cuivre
Percolant électronique Liant polymère
(noir de carbone)
Grain de matière active Grain de matière active
positive (ex LiFePO4) négative (ex graphite)
x2 000
x60 000
Electrode + Electrode -
Séparateur Photos : IFP Energies nouvelles
25 | © 2016 IFPEN (Polymère poreux)CELLULES CYLINDRIQUES, PRISMATIQUES & POUCH
Multitude de designs internes Multitude de packagings
cylindriques spiralés Durs : métal (aluminium, acier,...) ou plastique
prismatiques spiralés, laminés, empilés... Souple : film métalloplastique...
Source LG Chem Source LG Chem
ex : Elément A123s 2,3 Ah ex : Elément Kokam 12 Ah
LFP/C NMC/C
26 | © 2016 IFPENACCUMULATEURS LITHIUM-ION : TYPAGE ENERGIE OU PUISSANCE
Mise en œuvre des matériaux (pour une même chimie) :
Typage énergie : + de matières actives, électrodes plus épaisse...
Typage puissance : réduire la résistance interne (contacts,...) et diminuer les courants
surfaciques = augmenter la surface de l'électrode, la porosité…
Ex : la gamme SAFT proposant différents ratio puissance/énergie (P/E) pour une chimie donnée
VLP VLM VLE
Très haute Haute puissance Très haute
puissance Haute énergie énergie
128 Wh/kg 136 Wh/kg 149 Wh/kg
1250 W continu 794 W/kg (pulse 664 W/Kg
3600W (pulse 2s) 30s) (pulse 30s)
27 | © 2016 IFPEN Source : SAFTLES SEPARATEURS
Produits Celgard
Polymères poreux PP et PE
PP, PE,...
Peuvent être multicouches : PP/PE/PP
et "intelligents" : par exemple structure tri-couche fondant vers 120-130°C et
bloquant la diffusion des ions de l'électrolyte
Avec des revêtements céramiques
Epaisseurs : quelques dizaines de microns
Images : Celgard
Celgard tri-layer PP/PE/PP
28 | © 2016 IFPENSource Techniques de l’Ingénieur
ELECTROLYTES POUR ACCUMULATEUR LI-ION
Electrolytes liquides conventionnels
Sels de Li dans solvant organique (carbonates d’alkyle)
Mais réaction sur la négative dont le potentiel est très
négatif (réduction) formant pour les électrodes
carbonées une couche passivante conductrice du Li+
dite SEI (Solid Electrolyte Interphase)
Recherche active du côté des liquides ioniques O O
+ -
exemple : cation imidazolium et anion TFSI + sel LiTFSI N N R2 F 3C S N S CF3
R1
Bonne stabilité thermique et électrochimique R3 O O
Electrolytes solides et gels pour "Li-ion polymère" (Inspirés des batteries LMP)
Recherche pour obtenir des électrolytes solides suffisamment conducteurs à 20°C
gain espéré sur la sécurité (pas de solvant inflammable) et la densité d’énergie
(compacité accrue)
29 | © 2016 IFPENMATÉRIAUX D’ELECTRODE POSITIVE POUR ACCUMULATEURS LITHIUM-ION
Synthèse avec un focus automobile
Matériaux commerciaux : Liste non exhaustive!
2D : LCO, NMC, NCA APPLICATIONS AUTOMOBILES
3D Spinelle : LMO
Olivine : LFP
Matériaux en développement
HE-NMC
HV-spinel
LMP (LiMnPO4, …)
Matériaux en phase de recherche amont
Fluorophosphates
Fluorosulfates
Silicates
Borates
30 | © 2016 IFPENLES MATÉRIAUX D’ELECTRODES NEGATIVES : LE CARBONE LITHIE LIC6
Potentiel très proche du lithium métal : E°= 0,02 V vs. Li/Li+
Capacité spécifiques très intéressantes :
graphite = 372 mAh/g ; hard carbon : 600 mAh/g
Rq : Li métal = 4000 mAh/g…
Technologie éprouvée, largement brevetée, la plus répandue
Bonne tenue en cyclage avec formation de la SEI (= Solid Electrolyte Interphase)
Couche de passivation issue des produits de dégradation de l’électrolyte à la
surface du carbone (réduction pendant les premiers cycles de « formation »)
Laisse passer les ions Li+
Permet de stabiliser l'électrolyte aux potentielsAUTRES MATÉRIAUX POUR ÉLECTRODES NÉGATIVES
K.M. Colbow and al., Journal of Power
Les titanates Li4Ti5O12 Sources 26 (1989) 397
Li4Ti5O12 de structure spinelle. Premiers travaux en 19891
Potentiel à 1,55 V vs. Li/Li+ : potentiel très haut donc perte de
tension / énergie importante
Capacité à 150 mAh/g
En contrepartie, système très stable, pas de formation de
dendrites, pas de SEI, même aux forts taux de charge (sécurité)
Très bonne cyclabilité sur des profils de puissance (applications
VEH et charge rapide)
Abondant à l'état naturel, non toxique, peu coûteux
Commercialisé aujourd’hui par plusieurs fabricants : Toshiba,
Altairnano, EIG,…. Et des annonces dans la presse sur des
améliorations …
32 | © 2016 IFPENALLIAGES INTERMÉTALLIQUES POUR ÉLECTRODES NÉGATIVES
4000 10000
source : travaux LRCS
Les alliage intermétalliques Li-M 3500
9000
8000
3000
M° + xLi +xe- LixM 7000
Capacity (mAh/ml)
Capacity (mAh/g)
2500
6000
Capacité spécifique théorique très élevée jusqu’à 4000 mAh/g 2000 5000
Potentiel bas proche du graphite 1500
4000
Mais forte expansion volumique cyclabilité très faible du 1000
3000
2000
fait des contraintes mécaniques 500
1000
0 0
Li-Si : forte capacité massique et volumique (jusqu'à 10 fois In C Bi Zn Te Pb Sb Ga Sn Al As Ge Si
celles du carbone) mais forte expansion d'électrode > 300%
Composites avec le carbone : Si-C déjà sur le marché !
Passage à l’échelle nano
Enrobage de carbone
Recherche d’une structure (collecteur)
permettant de maintenir la géométrie
Questions aussi sur la SEI…
Source : Saft, A. De Guibert
33 | © 2016 IFPENBATTERIE LI-ION : APPLICATION VEH
Exemple mild HEV Li-ion : Mercedes S400 hybrid
Premier VEH commercial de série avec une batterie Li-ion
Pack Li-ion 118 V, 27 kg intègre 35 éléments de capacité 7 Ah en série ; 0,82 kWh sous capot
Eléments SAFT intégrés en pack par Continental ; refroidissement liquide
Emissions de CO2 (190g/km) sont en baisse de 21 % par rapport à la S 350
34 | © 2016 IFPENBATTERIE LI-ION POUR VE
Exemple VE Li-ion : Renault Zoe
X16 x12
Cellule LG Chem pouch Module LG Chem Pack Renault 12S x (2P8S) – 192 cellules
Chimie LMO Blend / C 2P8S 72 Ah, 360 V, 280 kg, ~ 92 Wh/kg
36 Ah, 3.7 V, 0.86 kg, ~155 Wh/kg 72 Ah, 29.6 V, 16,4 kg, ~130 Wh/kg
Energie utile = 22 kWh
Autonomie 210 240 km (EDC)
Chimie Ni rich NMC / C +20% capacité
Nouveau design interne +80% capacité Energie utile = 41 kWh X2
(compacité accrue)
Autonomie 400 km (NEDC) x2
35 | © 2016 IFPEN
Masse 300 kg + 20 kgBATTERIE LI-ION POUR VE
Autre exemple : Tesla modèle S 85
x444 x16
Cellule Panasonic Module Tesla Pack Tesla (constitue le châssis du véhicule
Chimie NCA / C 6S74P – 444 cellules 16S x (6S74P) – 7104 cellules
Format 18650 230 Ah, 21.6 V 85 kWh, 350V, 540 kg
3.1 Ah, 3.6 V refroidissement liquide
~235 Wh/kg ~157 Wh/kg
36 | © 2016 IFPEN
Nouveaux véhicules Tesla : passage au format 21700AU FINAL, UN GRAND NOMBRE DE TECHNOLOGIES DE
BATTERIES DISPONIBLES...
Plomb acide
Nickel-Cadmium
Nickel-métal hydrure
Nickel-zinc
Lithium ion dans toutes ses variétés
Lithium métal polymère
Lithium soufre
Sodium-ion
Sodium haute température
+ les supercondensateurs
Les technologies Li-ion dominent pour les véhicules électriques (énergie et puissance)
37 | © 2016 IFPENPARTIE 3 / PERFORMANCES ET LIMITES DES BATTERIES LI-ION
EXEMPLES DE CAS D’ÉTUDES @IFPEN
38LE « BESOIN » BATTERIE DES VÉHICULES ÉLECTRIFIÉS
Exigences spécifiques au-delà des fortes densités d’énergie et de puissance
Le prix
La sécurité
La durée de vie : la sollicitation des batteries dépend du type / de l’usage du véhicule
Mais aussi :
Le temps de charge
La fiabilité
La température de fonctionnement
L’intégration (compacité)
La tenue aux vibrations et les chocs
Le pilotage, la gestion
La fabrication / la commercialisation
La maintenance
Le recyclage… D’après Howell 2007
39 | © 2016 IFPENCOMMENT CHOISIR UN ACCUMULATEUR LITHIUM-ION DE TRACTION ?
Coût (- cher au + cher) : LMO > LFP > NMC > NCA
Puissance : NCA > LMO > NMC > LFP
Energie : NCA > NMC > LMO > LFP
Sécurité : LFP > NMC > LMO > NCA
Source IFPEN : Synthèse des critères
Durée de vie : NCA > NMC > LFP > LMO des études Berger, Umicore et du
Centre d'analyse stratégique (2011) :
NMC LFP NCA LMO
Coût Coût Coût Coût
5 5 5 5
4 4 4 4
3 3 3 3
2 2 2 2
Durée de vie Puissance Durée de vie PuissanceDurée de vie Puissance Durée de vie Puissance
1 1 1 1
0 0 0 0
Sécurité Energie Sécurité Energie Sécurité Energie Sécurité Energie
Il n'existe pas de chimie idéale, tout est histoire de compromis !
A cela s’ajoutent les critères de fabrication et le temps de charge…
40 | © 2016 IFPENVIEILLISSEMENT DES ACCUMULATEURS DE TRACTION
En fonction du fonctionnement d'un véhicule électrifié,
on peut définir deux modes de vieillissement :
Mode CYCLAGE : Driving mode
La batterie est cyclée en charge/décharge (I=Ich/dch)
Mode CALENDAIRE : Parking mode
La batterie est au repos (I = 0 A)
Les principaux facteurs favorisant le vieillissement sont :
le soc (delta soc et soc extrêmes)
la température élevée (accélération) ou basse (nouveaux
mécanismes) ou l’alternance
Le niveau de courant
Les modes CYCLAGE & CALENDAIRE sont combinés durant la
durée de vie des différents véhicules : ils induisent une perte de
41 | © 2016 IFPEN
capacité et/ou une augmentation de la résistance de la batterieCAS D’ÉTUDE N°1 = PROJET FUI MOBICUS MOBILITÉ DURABLE
Projet FUI piloté par Renault
Base mutualisée de données de
vieillissement sur cellules Li-ion
Calibration et validation de modèles
empiriques de vieillissement
Intégration virtuelle d’un pack dans un
simulateur PHEV
Simulation de différentes stratégies de
gestion pour minimiser l’impact du
vieillissement dans un usage donné
42 | © 2016 IFPENRÉALISATION ET TEST D’UNE MAQUETTE DE MODULE SUSTAINABLE MOBILITY
Prototypage module puis vieillissement sur banc de puissance Digatron 300V, 300A
Test accéléré sur la base d’un profil réel d’usage dans un PHEV : 6 mois d’essais ~ 2 ans de vie
Packaging IFPEN developed
with 3D printer
Complete instrumentation of the
module with 32 temperature Valeo heat exchanger developed for
measurements and 16 coolant but used here with water
intermediate voltage (control of flow rate and
measurements temperature)
43 | © 2016 IFPENVIEILLISSEMENT MODULE (STRATÉGIE DE RÉFÉRENCE) SUSTAINABLE MOBILITY
Mesures de capacité à C/20 et de la résistance (ici en charge, pulse 200A)
Perte de capacité après 2 ans équivalent : 7,1 %
Cellules limitantes = n°6 (BAT 1205) puis n°8 (BAT 1207)
Augmentation de la dispersion en fin de DCH (< 2 % de la capacité)
Une diminution initiale de la résistance interne (env. -5 % = rodage) puis des
variations non significatives : pas d’augmentation de résistance
44 | © 2016 IFPENMODELISATION DU VIEILLISSEMENT SUSTAINABLE MOBILITY
Comparaison expérimentation / modélisation
Modèle empirique du vieillissement % perte de capacité = f(temps) :
M. Petit et al. Applied Energy 172 (2016) 398-407
Bon accord modèle – expérimentation :
le modèle combinant les usages en
cyclage et calendaire est validé
45 | © 2016 IFPENSTRATEGIE DE GESTION : IMPACT DE LA TEMPÉRATURE
DU LIQUIDE DE REFROIDISSEMENT SUSTAINABLE MOBILITY
Amélioration par augmentation
de T°.
Mécanisme de vieillissement à
basse T° très impactant sous
courant en charge.
Résultat non-intuitif.
46 | © 2016 IFPENSTRATEGIE DE GESTION : IMPACT DU PROFIL DE CHARGE SUSTAINABLE MOBILITY
Charge rapide double la perte
de capacité à 10 ans vs. charge
lente.
Nette amélioration avec charge
rapide intelligente
47 | © 2016 IFPENSTRATEGIE DE GESTION : IMPACT DU MOMENT DE LA
CHARGE SUSTAINABLE MOBILITY
Charges multiples
préjudiciables mais
fonctionnement électrique
doublé.
Effet du froid sur la charge
le matin préjudiciable
Résultat non-intuitif
48 | © 2016 IFPEN• Surchauffe
REVUE DES RISQUES POTENTIELS DES BATTERIES • Surcharge
• Court-circuit
• Choc, vibrations
Risques électriques : batterie sous tension, jamais complètement
déchargée Évènement d’activation
électrisation / électrocution
arc électrique causé par un court-circuit (risque brulures ou incendie)
Réactions de
Risques chimiques décomposition
Défauts de fabrication, par ex pollution par une particule métallique,… exothermique
Conditions abusives d’utilisation :
Electrique : surcharge, sur décharge, sur courant, court-circuit externe Génération de chaleur
Évacuer à l’extérieur dans la cellule
Thermique : exposition à une température élevée / feu
Mécanique : écrasement, perforation
Cascade de réactions
Aux différentes étapes du cycle de vie exothermiques
irréversibles de
Fabrication, stockage décomposition
Recharge / maintenance / roulage
Recyclage • Augmentation de pression
Accident… • Rupture/dégagement de fumées / dégazage
49
49 | © 2016 IFPEN • Feu (possible) / explosion (possible)EMBALLEMENT THERMIQUE DES BATTERIES LI-ION SUSTAINABLE MOBILITY
SEI layer
Se produit quand les cellules sont surchauffées
- +
Souvent décrit comme un phénomène e- e-
composé de plusieurs étapes e-
Li+
Décomposition de la SEI métastable à partir de Li+
70°C (suivant l’électrolyte utilisé)
Li+
Réaction électrode négative / solvant >120°C Li+ e-
Réaction électrode positive / solvant >120°C
(dependant de la chimie) Li+ Li+
Fusion endothermique du séparateur 130°C
and 165°C court-circuit
Décomposition de l’électrolyte >200°C
Quel rôle joué par le vieillissement sur l’emballement thermique ?
50 | © 2016 IFPENCAS D’ÉTUDE N°2 = THÈSE SARA ABADA (UPMC 2016) SUSTAINABLE MOBILITY
Caractérisation de l’emballement thermique sur
cellules dans un Battery Testing Calorimeter (INERIS)
Mesure les émissions de chaleur en conditions pseudo
adiabatiques d’une cellule conditionnée en T
Before After
A123s
LifeBatt
PurePower
51 | © 2016 IFPEN
Source: Thèse Sara ABADA, UPMC 2016INFLUENCE DU VIEILLISSEMENT SUR L’EMBALLEMENT SUSTAINABLE MOBILITY
A123s Mêmes tendances pour les 2 cellules LFP/C
augmente : SEI des cellules “plus stables”
augmente : Séparateur “plus stable”
diminue : Emballement thermique plus rapide après
la fusion du séparateur
Données intégrées dans un modèle de compréhension et de
prédiction des phénomènes pour la mise à échelle
Source: S. Abada et al. JPS 306 (2016) 178-192
Source: Thèse Sara ABADA, UPMC 2016
L’emballement thermique est repoussé à haute température
par le vieillissement dans cette étude - mais il est plus violent
52 | © 2016 IFPEN
une fois qu’il s’amorce…SÉCURISER LES BATTERIES
Intégrer des solutions passives
Choix de composants plus sûrs : chimie moins réactive,
électrolytes formulés avec des retardateurs de flamme,
séparateur céramique ou tricouche bloquant si échauffement…
Barrières de sécurité : Event pour éviter l’explosion, fusibles
thermiques, électronique limitant ou coupant le courant…
Intégrer un contrôle actif de la batterie
Supervision par un Battery Management System (BMS) Source: IFP Energies nouvelles
Stratégie de gestion électro-thermique et protection sur la base
des mesures T, U et estimateur de SoC
53 | © 2016 IFPENMANAGEMENT DES BATTERIES LI-ION (BMS)
Battery Management System • Monitoring of cell voltage and temperature
• Monitoring of charge / discharge currents at cell, module
interface entre la batterie and/or pack levels
et les autres systèmes Measures
embarqués dans le véhicule
tels que la gestion moteur,
des commandes de • SOC, SOH real-time estimation based on measurements and
algorithms
climatisation, des systèmes • Algorithms may be embedded on-board or in clouds if
State
de communication et de diagnosis communicant BMS
sécurité, etc...
communique par Bus CAN
Contribue à assurer la sécurité Current and temperature control to avoid thermal runaway or
et limiter le vieillissement any damages, ensure performance and mitigate ageing
I and T According to current demand, state diagnosis and strategies
limitations
54 | © 2016 IFPENPARTIE 4 / PERSPECTIVES
FEUILLE DE ROUTE, ACTEURS, ALLIANCE EUROPÉENNE…
55LA BATTERIE AU COEUR DES VÉHICULES ELECTRIFIÉS… MOBILITÉ DURABLE
Répartition des coûts dans une motorisation électrique :
Cost breakdown of electric power trains (2015 figures for a lower
medium car) adapted from Wolfram & Lutsey, ICCT 2016
On board
charger (350 €)
Control Unit
(150 €) Li-ion Battery
Transmission 24 to 72 kWh
(280 €) (250 €/kWh
for industry
leaders)
+ 680 €
Generator for
regenerative
From + 6000 €
breaking to + 18000 €
Electric motor Representing 68% to 86%
No petrol engine,
80 kW
Boost exhaust pipe, + 240 € cost share of powertrain cost
converter and conventional
inverter transmission
ICE credits
+ 1790 € - 3160 €
56 |
La batterie pèse (trop) lourd dans la répartition des coûts …
© 2016 IFPENEVOLUTION DES COÛTS DE PACK BATTERIE
B. Bykvist et al. Nature climate change, vol. 5, 2015
Les coûts des batteries Li-ion :
Baisse des coûts d’un facteur 3 depuis 10 ans (B.
Bykvist et al. Nature climate change, vol. 5, 2015)
Effet d’échelle induit par l’accroissement des moyens
de production de cellules Li-ion, devrait s’accélérer (cf.
annonces des leaders, Tesla Gigafactory par exemple).
N.B. depuis quelques années, la production de cellules
Li-ion pour les véhicules électriques couvre également
le marché du stationnaire résidentiel… Cost of Li-ion battery packs in BEV
Coût actuel d’un pack Li-ion ~300 $/kWh. Le vrai coût
du stockage doit prendre en compte son intégration
système, sa durée de vie voire sa seconde vie.
Cible E. Musk est de 125 $/kWh en 2020 !
L’objectif du SET Plan Europe est d’atteindre 90 €/kWh
soit 110 $/kWh pour un pack batterie de VE en 2022
[M. Meus, EMRI, Workshop Battery alliance 2018]
57 | © 2016 IFPENMARCHÉ MONDIAL DES BATTERIES
25 %
Domination des batteries au plomb
Les batteries pour l'automobile représentent ~ 25% du marché des batteries (12,5% en 2010)
58 | © 2016 IFPENPREVISIONS MARCHE DES VÉHICULES ÉLECTRIFIÉS MOBILITÉ DURABLE 59 | © 2016 IFPEN
PRODUCTION DES BATTERIES LI-ION : UN GAME CHANGER ! 60 | © 2016 IFPEN
L’EUROPE : UNE NOUVELLE AMBITION
11/10/17 Maros Sefcovic, Vice-Président de la Commission Européenne, a initié l’Alliance
européenne des batteries : “Our goal was to engage the commitment of public and private
stakeholders from all across Europe to immediately start working together on bringing the
battery market to Europe”.
But = mobiliser les acteurs (académiques, industriels, pouvoirs publics) pour développer
une filière de fabrication de cellules en Europe (avec une attention spécifique portée à la
manufacture et à la recyclabilité).
An extra budget of € 100 million
has become available to finance new
topics to be included in the Work
Program for 2019 and 2020.
61 | © 2016 IFPENQUELLE FEUILLE DE ROUTE LI-ION CES PROCHAINES ANNÉES ?
Avancées potentielles des cellules au Lithium 2020-> 2030
Current Advanced • 350 Wh/kg, • 500 Wh/kg,
commercial • 90-235 Wh/kg Solid State
1000 Wh/l
Li-ion 750 Wh/l
Li-ion • 200-630 Wh/l Gen 3b • 2025
Gen 4
• 2025-2030
Gen 1-2b
Nationale Plattform Elektromobilität,
Deutschland Jan. 2016
Communication au « European Battery
cell R&I workshop », Bruxelles, 11-
12/01/2018
A nous / vous de jouer !
62 | © 2016 IFPENRetrouvez-nous sur :
www.ifpenergiesnouvelles.fr
@IFPENinnovation
Valerie.sauvant@ifpen.fr
63 | © 2016 IFPENAMÉLIORATION DE LA QUALITÉ DE L’AIR
ALIGNEMENT PROGRESSIF DES RÈGLEMENTATIONS MOBILITÉ DURABLE
TRANSPORT DES PERSONNES, DES MARCHANDISES ET OFF-ROAD
source: IFPEN
64 | © 2016 IFPENCONTENIR LE RECHAUFFEMENT CLIMATIQUE ET ASSURER
MOBILITÉ DURABLE
LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE : AUTRE ENJEU SOCIETAL
A l’échelle mondiale
1997 Protocole universel de Kyoto : pour la première fois des
pays industrialisés s’engagent à réduire leurs émissions de gaz
à effet de serre (GES) de 5 % à horizon 2020 versus 1990.
Mais les Etats-Unis, l’Inde ou la Chine ne sont pas signataires et le
Canada se rétracte en 2011…
2015 COP21 à Paris : premier accord international pris par 196
pays pour contenir le réchauffement climatique sous 2°C
universel : c’est à dire applicable à tous les pays
entré en vigueur le 4/11/16 (ratifié par 55 pays ↔ 55 % émissions)
différencié (objectifs différents suivant les pays)
A l’échelle européenne, le pack énergie-climat 2030 adopté en 2016
vise à réduire les émissions de GES d’au moins 40 % vs. 1990
Déclinaison en France : Plan Climat (nov. 2017) pour la mise en
œuvre de l’Accord de Paris vise notamment
La neutralité carbone en 2050.
La fin des ventes de voitures à essence et diesel d'ici 2040…
65 | © 2016 IFPENFABRICATION INDUSTRIELLE DES ÉLÉMENTS SAFT - Usine de Nersac, France
Préparation des électrodes :
Les processus se font en salle grise ou blanche
Les enductions d’électrodes se font en continu à partir de bobines de collecteurs
Les électrodes sont calandrées pour ajuster l'épaisseur / la porosité
Sources : SAFT
66 | © 2016 IFPEN
Source : www.mpoweruk.comFABRICATION INDUSTRIELLE DES ÉLÉMENTS
Assemblage de l’élément :
Assemblage continu électrodes & séparateur (spiraleuse)
Réalisation des soudures / connexions internes
Injection de l'électrolyte par le vide
Scellage de l'élément pas soudure
Après son assemblage, l'élément subit une étape de formation :
Cycles ou profils de courant/tension permettant la formation propre de la SEI
Permet l'élimination des éléments défectueux
Source : SAFT
Source :
www.mpoweruk.com
67 | © 2016 IFPENL'ACCUMULATEUR NICKEL-METAL HYDRURE
Technologie commercialisée par PEVE dans les véhicules hybrides
Prius (full VEH) de Toyota depuis 1997. La commercialisation du
modèle Prius II en Europe en 2004 a marqué un tournant…
Batterie Ni-MH aqueux alcalin
Positive : NiOOH / Ni(OH)2 E° = 0,49 V/ENH
1,2 V
Négative : hydrure métallique (noté M) E° = -0,83 V/ENH
capable d'absorber réversiblement de l'hydrogène au cours du fonctionnement.
Électrolyte : hydroxyde de potassium concentré en milieu aqueux
Caractéristiques
40 à 70 Wh/kg - Aucun problème de sécurité et peu de problèmes environnementaux
Performances médiocres à basse température
Rendement énergétique moyen (70-75%) voire faible à haute température (charge)
Vieillissement calendaire médiocre si la température de stockage est > 40°C
Autodécharge assez élevée (50%/mois à 40°C)
coût semble ne plus pouvoir être réduit / Recyclabilité très bonne
68 | © 2016 IFPENEXEMPLE D’APPLICATION DE L’ACCUMULATEUR NI-MH : PRIUS II
Electrodes Cellule Module Pack
Tension nominale 1,2 V 6 éléments en série 28 modules en série
Capacité 6,5 Ah Tension nominale 7,2 V Tension nominale 202 V
16 mm x 30 mm x 80 mm Capacité 6,5 Ah Capacité 6,5 Ah
Electrode
Masse 1 kg 370 (l) x 185 (h) x 700 (L)
+
Masse 45 kg
Electrode
-
69 | © 2016 IFPEN
Source : Images IFP Energies nouvellesMECANISMES MICROSCOPIQUES DE VIEILLISSEMENT DES
ACCUMULATEURS LI-ION
Conséquences macro : perte de capacité/autonomie et
70 | © 2016 IFPEN
augmentation de résistance/perte de puissanceQUELLES TECHNOLOGIES SONT PRESSENTIES ?
M. Meus, EMRI, Communication au
BIG R&I WORK AHEAD !! « European Battery cell R&I workshop »,
Bruxelles, 11-12/01/2018
71 | © 2016 IFPENVous pouvez aussi lire
