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Batterie lithium-ion de nouvelle génération

Réponse de l'Europe à Elon Musk

29 mai 2020 | RAINER KLOSE

Au cours des quatre prochaines années, cinq instituts de recherche et six entreprises industrielles de sept pays européens travailleront ensemble pour trouver des solutions pour la nouvelle génération de batteries lithium-ion. L’entreprise suédoise Northvolt est également partenaire de ce projet et a l’intention de créer deux grandes usines de production (gigafactories) de batteries pour véhicules en Europe.

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La production de batteries pour véhicules électriques devra se faire dans des gigafabriques. Tesla a montré la voie. Voici une vision anticipée du projet de la société suédoise Northvolt auquel l'Empa collabore dans le cadre du projet SeNSE. Image: Northvolt AB

La demande de batteries de propulsion pour les voitures électriques va augmenter de façon spectaculaire au cours des prochaines années. Actuellement, plus de 90% de ces batteries proviennent d’Asie. La Commission européenne a donc mis en place la «European Battery Alliance» en 2017 pour renforcer les compétences et les capacités de production de cette technologie clé en Europe. Les experts estiment que la demande européenne de batteries au lithium-ion nécessitera à elle seule 10 à 20 «giga-factories», c’est-à-dire des usines de production de batteries à grande échelle.

Batteries de génération 3b

Les recherches menées dans le cadre du projet SeNSE font partie de cette initiative «European Battery Alliance» et sont soutenues par le programme de financement de la recherche de l’UE Horizon 2020. Les onze partenaires de recherche du SeNSE – cinq instituts de recherche et six entreprises industrielles – mènent des recherches sur les batteries lithium-ion de la nouvelle génération – dite «génération 3b». La chimie des différents matériaux ainsi que le système BMS (Battery Management System) seront améliorés pour cette nouvelle génération, comparée aux batteries de traction actuelles: Au lieu d’anodes en graphite pur, l’objectif est d’utiliser des composites silicium-graphite. La proportion de cobalt, élément critique dans la cathode, sera encore réduite. De nouveaux additifs dans l’électrolyte devraient permettre de retarder le vieillissement de la batterie et ainsi, rendre possible un plus grand nombre de cycles de charge-décharge. De nouveaux capteurs contribueront également à une plus longue durée de vie et à une meilleure capacité de charge rapide en fournissant des données provenant de l’intérieur la batterie au système BMS. Ces données devraient permettre une gestion beaucoup plus fine de la température par rapport aux batteries lithium-ion actuelles.

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Image: Northvolt AB

Production en série et recyclage

La durabilité des batteries de la génération 3b devrait également dépasser celle de la génération actuelle: La cathode doit être fabriquée sans utiliser de solvants inflammables et toxiques, ce qui simplifiera la production en série des batteries et en et réduira considérablement le coût. Tous les aspects de la recherche SeNSE sont orientés vers la production de la nouvelle génération de batteries dans les gigafactories européennes. Pour être compétitif à l’avenir, il est donc essentiel de disposer de méthodes de production particulière-ment rentables et économes en matières premières. Le projet SeNSE envisage également la poursuite de l’utilisation des batteries de véhicules usagées comme unités de stockage stationnaires avant d’être ensuite recyclées. Les partenaires de recherche de l’Empa (CH), qui dirige le projet, sont la Westfälische Wilhelms-Universität Münster (D), le Forschungszentrum Jülich (D), l’Universi-té de Coventry (UK), l’Austrian Institute of Technology (A) et les entreprises Solvionic (F), FPT Motorenforschung (CH), Lithops (I), Northvolt (S), Enwires (F) et Huntsman Advanced Materials (CH).

La concurrence ne dort pas

COBRA Dirigé par l’Institut catalan de recherche sur l’énergie (IREC), ce projet de recherche vise à développer un nouveau type de batterie lithium-ion de haute énergie massique, de prix réduit, au grand nombre de cycles d’utilisation et employant moins de matériaux critiques. L’effort porte sur la réalisation de cathodes sans cobalt, sur des composites novateurs au silicium pour les anodes et le matériau du sépara-teur. Trois universités et neuf entreprises participent au projet COBRA qui couvre toute la chaîne de production de valeur.

3BELIEVE, piloté par l’Austrian Institute of Technology (AIT), étudie les cellules de génération 3b pour véhicules électriques post-2025. L’équipe entend utiliser de l’oxyde de lithium-nickel-manganèse pour les cathodes, du LiFSI comme électrolyte et un portefeuille de capteurs internes et externes (22 capteurs par module). Les batteries disposeront d’un refroidissement à liquide commandé par un système de gestion des batteries doté de fonctions de diagnostic et de d’exploitation novatrices.

En route vers la Gigafactory

La société suédoise Northvolt joue un rôle décisif dans le projet de recherche. La société a été cofondée en 2016 par deux anciens employés de Tesla qui ont participé à la construction de la gigafactory de Tesla dans le Nevada. Northvolt prévoit actuellement de construire en Suède la première gigafactory européene d’une capacité de production de 32 GWh par an. Une autre gigafactory d’une production annuelle de 16 GWh doit être construite en joint-venture avec Volkswagen à Salzgitter (Alle-magne). À titre de comparaison, la gigafactory de Tesla au Nevada produit actuellement environ 30 GWh de batteries par an, selon la direction.

Des experts de Northvolt accompagneront les chercheurs de SeNSE lors de séances techniques régulières. À la fin du projet, une série de prototypes de batteries devrait avoir été développée. Un prototype d’une capacité de stockage de 1 kWh démontrera les capacités de la batterie de génération 3b. À la fin du projet, la technologie de production développée trouvera son chemin dans l’industrie sous forme de brevets. Le projet de recherche SeNSE s’achève après 48 mois au printemps 2024.

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Le projet de recherche SeNSE, qui regroupe onze partenaires, est coordonné par Ruben-Simon-Kühnel, Stephan Fahlbusch et Corsin Battaglia (droite). Image: Empa

Piles à l'état solide – Génération 4b

L’équipe de Corsin Battaglia à l’Empa est impliquée dans un autre projet de recherche européen: Le projet, appelé SOLiDIFY, se tourne encore plus vers l’avenir et développe des batteries tout-solide au lithium métal. Contrairement aux batteries lithium-ion actuelles et à celles de la génération 3b, ces batteries à l’état solide ne contiendront plus aucun composant liquide et inflammable. Elles sont donc plus sûres et plus tolérantes à la chaleur. Elles peuvent donc fournir une puissance plus élevée et peuvent être chargés et déchargés plus rapidement. Selon les experts, ces batteries – appelées génération 4b – pourraient être prêtes à être commercialisées dans une dizaine d’années.

Information

Dr. Corsin Battaglia
Materials for Energy Conversion
Tél. +41 58 765 41 31

Rédaction / Contact médias

Rainer Klose
Communication
Tél. +41 58 765 47 33

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