Batteries Li-ion : du présent au futur

Résumé

Une synthèse sur la nécessaire recherche dans le domaine des batteries lithium-ion de nouvelle génération. Les auteurs présentent les verrous actuels et les enjeux pour les années à venir. En effet, cette solution de stockage, si elle est utile au développement des énergies propres pour accompagner la transition écologique, ne peut qu'avoir un impact environnemental et sociétal. ©Electre 2020

Éditeur(s)
- EDP sciences
- Impr. SEPEC
Date
- DL 2020
Notes
- Glossaire
Langues
- Français
Description matérielle
- 1 vol. (479 p.) : ill. ; 24 cm
Collections
- InterSections (Les Ulis)
Sujet(s)
- Batteries lithium-ion
- Piles au lithium
ISBN
- 978-2-7598-2392-5
Indice
- 621.35 Accumulateurs et piles, piles à combustible
Quatrième de couverture
- Batteries Li-ion
  Du présent au futur
  Grâce à l'amélioration de leurs performances et la diminution de leur coût de fabrication, les accumulateurs au lithium initialement commercialisés en 1991 par Sony pour alimenter les équipements portables, jouent désormais un rôle-clef dans le développement massif attendu de la mobilité électrique.
  Connectées au réseau électrique via les véhicules électrifiés dans lesquels elles seront embarquées, les batteries au lithium seront de surcroît utilisées comme moyen massif de stockage tampon des énergies renouvelables, ainsi que comme outils de soutien au réseau (effacement des heures de pointe, régulation de fréquence...), permettant, au-delà de leur fonction première (assurer la mobilité du véhicule), de démultiplier leur utilité.
  Ces évolutions vont profondément transformer nos sociétés, et permettre non seulement de réduire très significativement les émissions de CO₂ et la consommation d'énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon), mais également, si elles sont conduites et coordonnées efficacement, de contribuer à la croissance économique.
  Le développement de la mobilité électrique offre ainsi une opportunité unique de faire coïncider des exigences légitimes de protection de l'environnement avec des objectifs de développement industriel.
  Cet ouvrage a pour objectif d'offrir au lecteur une vue d'ensemble des technologies d'accumulateurs au lithium, de fournir un état des lieux des initiatives en cours dans le monde, et de dresser quelques perspectives pour l'avenir.
  Chercheurs au CEA et au CNRS, les auteurs de cet ouvrage disposent, tous, d'une expertise fondée sur plusieurs années d'expérience dans le développement des filières d'accumulateurs au lithium et des filières post lithium-ion, sur l'ensemble des éléments de la chaîne de la valeur, depuis le design et la synthèse des matériaux d'électrodes, jusqu'à l'intégration dans le véhicule.
Tables des matières
- - Batteries Li-ion
  - Du présent au futur
  - Didier Bloch, Thierry Priem, Sébastien Martinet et Christian Ngô
  - edp sciences
  - Préface13
  - Chapitre 1 ¤ Introduction15
  - Thierry Priem ; Sébastien Martinet ; Frédéric Le Cras ; Didier Bloch
  - 1 Bref historique des piles et accumulateurs20
  - 2 Généralités sur les accumulateurs Li-ion22
  - Bibliographie25
  - Chapitre 2 ¤ Matériaux d'électrode positive des accumulateurs « lithium-ion »27
  - David Peralta ; Fréderic Le Cras ; Jean-Baptiste Ducros ; Carole Bourbon ; Jean-François Colin ; Sébastien Patoux
  - Matériaux d'électrode positive de structure « spinelle »28
  - 1.1 Description de la structure cristallographique spinelle29
  - 1.2 LiMn₂O₄(LMO), un matériau d'électrode « 4 volts » à « bas-coût » pour accumulateurs de puissance30
  - 1.3 Les spinelles de manganèse fonctionnant à haut potentiel - spinelles « 5 volts » « LNMO »33
  - 2 Matériaux d'électrode positive de structure lamellaire35
  - 2.1 Généralités sur les oxydes lamellaires35
  - 2.2 Le « LCO » : LICoO₂36
  - 2.3 Les NMC : LiNi_xMn_yCo_zO₂39
  - 2.4 Les « NCA » : LiNi_xCo_yAl_zO₂43
  - 2.5 Les oxydes lamellaires surlithiés44
  - 3 Matériaux d'électrode positive de structure olivine47
  - 3.1 LiFePO4 : principaux avantages et inconvénients48
  - 3.2 État de l'art mondial49
  - Bibliographie53
  - Chapitre 3 ¤ Matériaux d'électrode négative63
  - C. Haon ; C. Barchasz ; P. Azaïs
  - 1 Matériaux actifs d'électrode négative : différentes solutions63
  - 1.1 Intercalation65
  - 1.2 Conversion65
  - 1.3 Formation d'alliages66
  - 2 Carbone67
  - 2.1 Historique67
  - 2.2 Intérêt68
  - 2.3 Relations entre caractéristiques structurales et performances69
  - 3 Le silicium72
  - 3.1 Mécanismes de (dé)lithiation72
  - 3.2 Mécanismes de dégradation73
  - 3.3 Voies d'amélioration des matériaux75
  - 4 Lithium métal76
  - Biobliographie78
  - Chapitre 4 ¤ Matériaux d'électrode organiques83
  - P. Poizot ; S. Sadki ; T. Gutel
  - 1 Introduction83
  - 2 Les différentes familles de matériaux organiques85
  - 2.1 Système (...)-étendus (polymères dits « conducteurs »)85
  - 2.2 Les radicaux stables87
  - 2.3 Organodisulfures et thioéthers88
  - 2.4 Fonctions carbonyles incorporées à un système (...)-conjugué88
  - 2.5 Amines aromatiques89
  - 3 Stratégies d'amélioration à l'échelle des matériaux90
  - 3.1 Greffage sur rapport inorganique ou organique90
  - 3.2 Structures organiques discrètes polyanioniques92
  - 4 Conclusion93
  - Bibliographie94
  - Chapitre 5 ¤ Électrolytes et séparateurs101
  - Jean-Frédéric Martin ; Djamel Mourzagh ; Thibaut Gutel ; Hélène Rouault
  - 1 Électrolytes liquides102
  - 1.1 Sels de lithium et solvants organiques102
  - 1.2 Sels de lithium et liquides ioniques107
  - 2 Séparateurs108
  - 2.1 Les propriétés des séparateurs108
  - 2.2 Le marché des séparateurs109
  - 2.3 Coût et sécurité110
  - Bibliographie111
  - Chapitre 6 ¤ Accumulateurs Na-ion : doit-on/peut-on remplacer le lithium ?113
  - Loïc Simonin ; Virginie Simone ; Sébastien Martinet ; Laure Monconduit
  - 1 Problème posé114
  - 1.1 Ressources en lithium et coût des batteries Li-ion114
  - 1.2 Vers une batterie « 100 % éléments abondants » ?116
  - 2 Descriptif de la technologie/points difficiles à surmonter118
  - 2.1 Bref historique118
  - 2.2 Principe de fonctionnement118
  - 3 État de l'art dans le monde119
  - 3.1 Matériaux d'électrodes négatives119
  - 3.2 Matériaux d'électrodes positives123
  - 3.3 Électrolytes et interfaces125
  - 4 Performances en système complet126
  - 5 Perspectives127
  - 5.1 Approche bas coût127
  - 5.2 Approche haute puissance128
  - Bibliographie129
  - Chapitre 7 ¤ Accumulateurs métal-soufre135
  - C. Barchasz ; F. Le Cras ; F. Perdu ; R. Dedryvère
  - 1 Descriptif des technologies métal-soufre135
  - 1.1 Avantages et positionnement des accumulateurs métal-soufre135
  - 1.2 Fonctionnement des accumulateurs métal-soufre137
  - 1.3 Accumulateurs (Li,Na)-ion soufre138
  - 2 État de l'art et performances139
  - 2.1 Cartographie des acteurs139
  - 2.2 Compréhension des mécanismes mis en jeu140
  - 2.3 Stratégies de développement142
  - 2.4 Batteries métal-soufre à lélectrolyte solide146
  - 2.5 Acteurs industriels147
  - 3 Perspectives et applications148
  - Bibliographie149
  - Chapitre 8 ¤ Accumulateurs « tout-solide »153
  - F. Le Cras ; V. Tarnopolskiy ; C. Barchasz ; R. Bouchet ; D. Devaux
  - 1 Introduction et problématique générale153
  - 2 Familles des conducteurs ioniques solides155
  - 2.1 Électrolytes solides polymères156
  - 2.2 Électrolytes solides céramiques et verres159
  - 2.3 Électrolytes solides hybrides163
  - 3 Stabilité électrochimique des électrolytes solides165
  - 4 Systèmes complets166
  - 5 Acteurs académiques et industriels167
  - 5.1 Positionnement de la recherche française168
  - Bibliographie168
  - Chapitre 9 ¤ Supercondensateurs : du matériau au composant179
  - P. Azaïs
  - 1 Introduction179
  - 2 Principe de fonctionnement181
  - 2.1 Calcul de la capacité182
  - 2.2 Calcul de la résistance183
  - 3 Le coeur de la technologie carbone/carbone186
  - 3.1 Design d'électrode et ses constituants186
  - 3.2 Électrolyte200
  - 3.3 Séparateurs212
  - 4 Systèmes hybrides214
  - 4.1 Technologie carbone active/MnO₂217
  - 4.2 Technologie oxyde de plomb/carbone activé218
  - 4.3 Technologie hydroxyde de nickel NiOOH/carbone activé218
  - 4.4 Technologie graphite/carbone activé issue du Li-ion219
  - Bibliographie222
  - Chapitre 10 ¤ Supercondensateurs : du composant au module243
  - P. Azaïs
  - 1 Design des composants243
  - 1.1 Composants de faible capacité244
  - 1.2 Composants de forte capacité246
  - 2 Design des modules et systèmes251
  - 2.1 Modules à base de cellules de types rigide252
  - 2.2 Modules de forte capacité à base de cellules souples257
  - 2.3 Modules de forte capacité fonctionnant en milieu aqueux259
  - 3 Conclusions et perspectives260
  - Bibliographie262
  - Chapitre 11 ¤ Caractérisation des performances électriques des accumulateurs Li-ion265
  - A. Delaille ; N. Guillet ; R. Tessard ; B. Pilipili Matadi
  - 1 Caractérisation des performances électriques de cellules individuelles266
  - 1.1 Tests à réception266
  - 1.2 Tests de performances en début de vie267
  - 1.3 Tests de performances en vieillissement272
  - 2 Mesures de résistances de cellules individuelles275
  - 2.1 Introduction275
  - 2.2 Comment définir une résistance interne ?275
  - 2.3 Différentes méthodes de mesure de résistance interne276
  - 2.4 Conclusion289
  - Bibliographie290
  - Chapitre 12 ¤ Caractérisation microstructurale et physico-chimique des matériaux de batterie293
  - S. Genies ; A. Boulineau ; A. Benayad ; C. Chabrol ; J.F. Martin ; D. Brun-Buisson ; X. Fleury ; L. Daniel ; J.F. Colin ; M. Bardet ; S. Lyonnard ; S. Tardif ; F. Lefebvre-Joud ; Eric de Vito
  - 1 Introduction : la caractérisation pour comprendre la réponse électrochimique d'une batterie294
  - 2 Analyse des mécanismes associés à une perte de lithium échangeable297
  - 2.1 Formation de la SEI et précipitation de Li métal sur une électrode négative297
  - 2.2 Perte de la teneur en Li d'une électrode positive300
  - 3 Analyse des transformations de phase qui limitent la mobilité du lithium303
  - 3.1 Modification microstructurale d'une électrode positive303
  - 4 Blocage mécanique, obstruction, décohésion et perte du contact électrique304
  - 4.1 Perte de capacité d'électrodes graphite en cyclage à basse température304
  - 4.2 Dépôts exogènes305
  - 5 Dégradation de l'électrolyte306
  - Bibliographie308
  - Chapitre 13 ¤ Procédés de fabrication des électrodes et des cellules311
  - G. Claude ; N. Mariage ; W. Porcher ; Y. Reynier ; D. Sotta ; F. Rouillon
  - 1 Principes généraux311
  - 2 Formats d'accumulateurs313
  - 3 Méthodes de fabrication des électrodes317
  - 3.1 Formulation d'une électrode317
  - 3.2 Réalisation d'une encre317
  - 3.3 Électrodes319
  - 3.4 Calandrage321
  - 4 Méthodes de fabrication des cellules321
  - 4.1 Étape de refente321
  - 4.2 L'assemblage321
  - 4.3 Le remplissage323
  - 4.4 La formation324
  - 5 Composition des cellules et éléments de coût324
  - 6 Procédés en développement/perspectives325
  - 7 Conclusion326
  - Bibliographie326
  - Chapitre 14 ¤ Système batterie et gestion associée - BMS329
  - L. Garnier ; J. Dauchy ; D. Chatroux ; D. Gevet ; G. Despesse
  - 1 Architecture d'un système batterie330
  - 2 Système batterie dans son environnement332
  - 2.1 Pôle « moins » du pack relié à la masse mécanique333
  - 2.2 Pack batterie isolé de la masse mécanique333
  - 2.3 Impact de l'isolation ou non du pack batterie sur le choix des chargeurs334
  - 3 Éléments de puissance associés au pack batterie335
  - 3.1 Conducteurs/fils335
  - 3.2 Fusibles336
  - 3.3 Contacteurs336
  - 3.4 Précharge337
  - 3.5 Connecteurs337
  - 3.6 Sectionneur338
  - 4 Un BMS aux multiples fonctions338
  - 4.1 Différentes architectures électroniques de BMS339
  - 4.2 Gestion de la sécurité du pack batterie341
  - 4.3 Gestion des états du pack batterie342
  - 4.4 Équilibrage du pack batterie342
  - 4.5 Gestion thermique du pack batterie343
  - 5 Conception et fabrication des packs batteries346
  - 5.1 Conception mécanique346
  - 5.2 Assemblage des modules347
  - 5.3 Assemblage final du pack348
  - 6 Exemples d'innovation sur des systèmes batteries349
  - 6.1 Exemple 1 : la batterie commutée349
  - 6.2 Exemple 2 : architecture système permettant la suppression de la batterie auxiliaire351
  - Bibliographie353
  - chapitre 15 ¤ Définition des algorithmes d'état d'un système batterie et méthodes de calcul associées355
  - V. Heiries, P.-H. Michel ; A. Delaille ; F. Karoui
  - 1 Définitions des indicateurs d'état des batteries356
  - 1.1 L'état de charge356
  - 1.2 L'état d'énergie356
  - 1.3 L'état de santé357
  - 1.4 L'état de fonction357
  - 1.5 L'état de sécurité358
  - 2 Méthodes de diagnostic des batteries358
  - 2.1 Estimation du SOC359
  - 2.2 Exploitation du filtre de Kalman pour l'estimation du SOC364
  - 2.3 Estimation de la capacité366
  - 2.4 Méthode de diagnostic alternative367
  - Bibliographie369
  - Chapitre 16 ¤ Normes et sécurité371
  - P. azaïs ; P. Kuntz
  - Introduction371
  - 1 Phénomènes mis en jeu en conditions abusives372
  - 1.1 Phénomènes mis en jeu à l'échelle de l'accumulateur374
  - 1.2 Phénomènes mis en jeu à l'échelle du module et du pack378
  - 2 La règlementation380
  - 3 Les normes383
  - 4 Essais et analyses complémentaires390
  - 5 Solutions pour améliorer la sécurité aux différentes échelles391
  - 5.1 Amélioration des composants au sein de l'accumulateur391
  - 5.2 Dispositifs de sécurité au niveau de l'accumulateur397
  - 5.3 Dispositifs de sécurité au niveau du module et du système batterie399
  - 6 Conclusions et perspectives403
  - Bibliographie404
  - Chapitre 17 ¤ Recyclage des batteries Li-ion411
  - E. Billy ; M. Chapuis ; D. Meyer
  - 1 Les éléments de contexte411
  - 2 Tête de procédé414
  - 3 Coeur de procédé (séparation - valorisation)414
  - 3.1 Pyrométallurgie414
  - 3.2 Hydrométallurgie415
  - 4 Conclusion423
  - Bibliographie424
  - Chapitre 18 ¤ Impacts environnementaux et analyse du cycle de vie (ACV) des batteries Li-ion431
  - Élise Monnier ; Fabien Perdu
  - 1 Pourquoi s'intéresser aux impacts environnementaux des batteries ?432
  - 2 Comment quantifie-t-on les impacts environnementaux des accumulateurs ?433
  - 3 Quels sont les principaux impacts des batteries lithium-ion ?434
  - 3.1 ...sur le changement climatique435
  - 3.2 ...sur la consommation d'énergie435
  - 3.3 ...sur la consommation de ressources abiotiques437
  - 3.4 ...sur les impacts d'acidification, d'eutrophisation et de toxicité439
  - 4 Quelles sont les sources de ces impacts ?441
  - 5 Recommandations d'écoconception444
  - Bibliographie446
  - Chapitre 19 ¤ Applications et marchés - coût d'usage449
  - L. Garnier ; D. Chatroux ; F. Perdu ; B. Béranger ; F. Le Cras ; S. Martinet ; D. Bloch
  - 1 Éléments généraux d'analyse de marché - Focus sur le marché des véhicules électrifiés449
  - 2 Problématique du coût d'usage452
  - Référence456
  - Conclusion457
  - Sébastien Martinet ; Thierry Priem ; Frédéric le Cras ; Didier Bloch
  - Glossaire461
  - Les coordinateurs465
  - Les contributeurs467
Origine de la notice:
- FR-751131015 ;
- Electre