Des Li-ion aux technologies de batterie destructrices de mythes
Webinar avec le prof. Dr. Dr. Med. Hintennach, responsable de la recherche sur les celules de batterie chez Mercedes-Benz AG
En pleine crise du coronavirus, nous avons reçu au cours d’une table ronde digitale une plus vaste compréhension des objectifs de recherche et développement que vise Daimler dans le domaine du stockage de l’énergie électrique. L’homme qui a fourni des précisions dirige au sein du département de recherche de Mercedes-Benz AG la division recherche et technologie de batterie: le prof Dr. Dr. Med. Andreas Hintennach. Hormis la densité énergétique et la vitesse de chargement, la sécurité, le poids et la durabilité restent cruciaux dans l'évolution des batteries, souligne Hintennach, qui nous fait profiter d'un accompagnement expert dans cette excursion virtuelle de la technologie Li-ion contemporaine vers la science de batterie destructrice de mythes.
En qualité de docteur en électrochimie, Andreas Hintennach, mène des recherches fondamentales sur les matériaux et les techniques liés à la conversion et au stockage de l’énergie électrique dans le département de recherche de Mercedes-Benz AG et en tant que responsable de la division recherche et technologie de batterie
Le prof. Dr. Dr. Med. Andreas Hintennach est senior manager auprès du département de recherche de Mercedes-Benz AG où il assume la direction de la division recherche et technologie de recherche. Titulaire d’un doctorat en chimie et en médecine, il est promu dans l’électrochimie par la suite et a décroché un diplôme MBA et un doctorat en économie. En 2013, il est d’abord devenu professeur-adjoint avant d’être nommé déjà un an plus tard professeur titulaire de médecine.
En tant que docteur en électrochimie, il mène des recherches fondamentales sur les matériaux et les techniques relatifs à la conversion et au stockage de l’énergie électrique. Avec une vaste attention pour les futures générations de batteries et de piles à combustible, donc. La durabilité et la toxicologie sont des aspects centraux dans ces recherches. L’importance croissante de l’électronique et de l’informatique sont également incontournables dès que des conversions électriques et le stockage de l’énergie interviennent. Si bien que des thèmes axés sur les données tels que la technologie blockchain (chaînes blocs) et les ordinateurs quantiques (processeurs qui fonctionnent selon les principes de la mécanique quantique) doivent être inclus dans le domaine de recherche d’Andreas Hintennach.
recherche et developpement
Diverses approches
La batterie et la pile à combustible constituent les éléments clé de l’e-mobilité et en tant qu’élément intégral de l’architecture du véhicule, on peut (encore) difficilement qualifier ces composants de systèmes de construction standard. Toutes deux font partie intérgante de l'architecture d'un véhicule. Les batteries pour hybrides légers, hybrides enfichables ou transmissions full électrique font partie intégrante de leur domaine d’application spécifique et demandent dès lors un axe de développement différent. “C’est pourquoi”, affirme Hintennach, “nous sommes contraints d’envisager tous les stades: de la recherche fondamentale au lancement de la production. Nos recherches actuelles visent avant tout à optimiser la génération actuelle des systèmes de batterie lithium-ion. Ensuite nous devons examiner le développement des actuelles cellules de batteries disponibles sur le marché et pour terminer, nous devons nous orienter vers la recherche d’une future technologie de batterie.”
la Flexibilite reste determinante
Dans les voitures électriques, la technologie de batterie ou FC comporte en outre la systématique de gestion de plus en plus complexe et contrôlée par des ordinateurs. La recherche et développement s‘oriente aussi en ce sens. Il s’agit donc de bien plus (encore) que l’augmentation de la capacité de batterie, même si la densité énergétique reste importante La durabilité et la sécurité sont aussi déterminantes. L’utilisation d’autres matériaux pourrait avoir comme conséquence une plus grande capacité de batterie mais alors des compromis (inacceptables) en matière de sécurité doivent être conclus. La flexibilité reste un principe de développement déterminant selon Hintennach. Car dans le domaine de l’e-mobilité, il existe des scénarios d’utilisation fortement divergents pour les batteries: des voitures particulières aux camionnettes, bus et camions lourds et des mild hybrids 48 volts aux hybrides plug-in et mobiles full électrique.
la durabilite comme principe de fonctionnement coordinateur
materiaux rares
La durabilité devient aussi une activité de développement coordinatrice pour les batteries et les piles à combustible chez Daimler. Certainement pour les batteries d’e-véhicules, de grandes quantités de données sont exigées désormais et l’accent du développement est mis dès lors sur la minimisation du besoin de matières premières naturelles– souvent – rares. Pour chaque type de véhicule est dès lors développée une étude de concept dans laquelle tous les composants et matériaux sont analysés quant à leur disponibilité économique et socialement responsable. Pour les batteries également, on examine quelles matières premières précieuses et rares peuvent être remplacées, minimisées ou utilisées plus efficacement et quelle en est la possibilité de recyclage.
droits de l'homme et degats environnementaux
L’électromobilité n’est ‘réellement’ durable que si toutes les matières premières sont extraites dans des conditions durables. L’augmentation gigantesque de l’utilisation du cobalt en raison du revirement énergétique et de l’e-mobilité est dès lors associée de plus en plus explicitement aux violations des droits de l’homme et aux dégâts environnementaux consécutifs à leur exploitation. Une solution peut consister dans le remplacement du cobalt par d’autres matières premières moins ‘critiques’ mais cela semble plus facile à dire qu’à faire, comme nous le verrons maintenant.
Hintennach souligne bel et bien que chez Mercedes-Benz AG s’appliquent des procédures qui doivent veiller à ce que les fournisseurs concernés satisfont aux exigences relatives à la durabilité. Chez Mercedes également, la transparence de la chaîne de distribution est sacrée. On recourt à un audit externe pour contrôler chaque phase de la chaîne de distribution pour le cobalt et y apporter les corrections nécessaires, en conformité avec les normes OESO.
impact environnemental
D’un point de vue technique, les e-véhicules ont un impact plus mauvais avéré sur l’environnement que les véhicules comparables animés par un moteur à combustion classique. Andreas Hintennach ne le conteste pas mais constate d’emblée que la production de moteurs à combustion a été améliorée constamment pendant plus de 130 ans. La batterie et la pile à combustible se situent encore à leur stade initial en matière de production de masse. Leur production entraîne plus d’émissions en raison du besoin énergétique accru. D’autre part toutes deux sont plus écologiques à l’usage. Même si les batteries – telles qu’aujourd’hui – ne peuvent pas encore être rechargées avec une électricité neutre en CO2, les voitures électriques entraînent jusqu’à 40% d’émissions en moins durant leur cycle de vie que les voitures à essence comparables et jusqu’à 30% de moins que les véhicules diesel. D’après Hintennach, ces chiffres ne tiennent pas encore compte des réductions de CO2 visées d’ici 2039 ou du recyclage des futures matières premières.
recyclage de batterie et reutilisation de matieres premieres secondaires
<25>Hintennach s’attend à ce que d’ici dix ans un nombre considérable de batteries provenant de véhicules partiellement ou complètement électriques entrent en considération pour le recyclage. Cela veut dire que des matières premières telles que le cobalt, le nickel, le cuivre, et dans un stade ultérieur également le silicium, deviennent recyclables. Hintennach: “Nous menons des recherches sur ces possibilités de recyclage depuis quelque temps déjà. Le processing est au point et nous avons déjà aujourd’hui des possibilités d’utilisation de matières premières secondaires dans de nouveaux processus de production.”
technologie de batterie et connaissances des materiaux
le Li-ion n'est pas encore fini (loin s'en faut)
L'électromobilité n'est réellement durable que si le courant avec lequel nous roulons est durable et... si toutes les matières premières – souvent rares – qu'exigent en masse le revirement énergétique et l'e-mobilité aujourd'hui sont exploitées dans des conditions durables et décentes
Les batteries lithium-ion restent de loin les batteries les plus utilisées à la fois dans des applications électroniques et pour le stockage de l’énergie de véhicules partiellement ou complètement électriques. “Il est déjà évident”, affirme Hintennach, “que la technologie Li-ion revendiquera encore le rôle principal dans les prochaines années.”
Cela ne veut pas dire qu’en matière de recherche et de développement des futures batteries, certains principes ‘nouveaux’ spécifiques ne sont pas testés dans les labos d’Andreas Hintennach. “Nous travaillons sur l’innovation et des alternatives lithium-ion”, confie Hintennach. “En même temps, nous continuons de nous concentrer dans le chapitre Li-ion sur la densité énergétique et la durée de charge, et étoffons nos compétences pour l’évaluation technologique des matériaux et des cellules de batteries.”
cathode, anode, separateur …
Qu’il s’agisse d’une batterie pour un téléphone mobile ou d’un stockage de l’énergie pour un véhicule électrique, la structure cellulaire reste toujours comparable dans le cas de la technologie lithium-ion. Cela concerne deux plaquettes métalliques comme le cuivre et l’aluminium. Entre elles se trouvent deux pôles – la cathode et l’anode – entre lesquelles se déroule une réaction électrique. Pour susciter cette réaction électrique, un métal réactif tel que le lithium est exigé. La cathode – à savoir le pôle positif de la batterie –est constituée d’un mélange de nickel, de manganèse et de cobalt. L’anode est constituée de poudre de graphite, de lithium, d’électrolytes et d’un séparateur.
… et silicium
“A l’avenir, le silicium remplacera en grande partie la poudre de graphite sur l’anode”, explique Hintennach. “Un avantage est que nous pouvons ainsi accroître la densité énergétique d’une batterie de 20 à 25%. De plus, l’utilisation du silicium sur l’anode offre la possibilité d’utiliser à la cathode des matériaux qui ne sont pas compatibles avec la poudre de graphite que contient aujourd’hui l’anode. L’utilisation du silicium permet aussi d’optimiser à l’avenir les vitesses de chargement.”
Moins de cobalt
Le remplacement de la poudre de graphite autour de l’anode par le silicium peut induire le remplacement du cobalt critique, pour les raisons précitées. Ce remplacement semble plus complexe, quoique Hintennach concède que des recherches sont en cours. “Avec la génération actuelle de cellules de batteries , on est déjà parvenu à réduire la part de cobalt dans les cathodes nickel, manganèse, cobalt, lithium) d’environ 30% à moins de 20%. Dans des essais de laboratoire, on a déjà expérimenté aujourd’hui avec des batteries don les cathodes contiennent même moins de 10% de cobalt.” Hintennach semble convaincant quand il affirme que cette part baissera encore à l’avenir. . “D’un point de vue chimique également, il est particulièrement intéressant de réduire au maximum la part de cobalt. La raison … moins il a de cobalt, pus le recyclage est simple et efficace.”
comment remplacer le cobalt et le lithium
recharger des batteries alcalines non rechargeables
Andreas Hintennach s'attend à ce que d'ici dix ans un nombre considérable de batteries provenant de véhicules partiellement ou complètement électriques entre en considération pour le recyclage
Minimiser les quantités de cobalt et de lithium peut se faire par l’ajout de matières premières essentiellement basées sur le manganèse. Un matériau qui est moins nocif écologiquement et se transforme plus facilement. Hintennach constate que des installations de recyclage pour le manganèse sont déjà mises en service aujourd’hui. “L’une des raisons est que nous utilisons des batteries alcalines non rechargeables depuis de nombreuses années.” Pour les chercheurs de la division Recherche et Technologie de batterie de Mercedes-Benz AG, la recherche d’une possibilité de rechargement éventuelle des batteries alcalines offre assurément des perspectives. Hintennach s’attend à ce que cette technologie puise être mature pour le marché dans la seconde moitié des années 2020.
Batterie Lithium-soufre: parfaitement ecologique mais une densite energetique desastreuse
Une autre alternative au-delà du Li-ion pourrait consister dans les batteries lithium-soufre d’après Hintennach. Le soufre est un déchet industriel (presque) gratuit qui se recycle aisément. C’est une alternative qui présente un écobilan très favorable mais qui pose des défis considérables sur le plan de la densité énergétique, en dépit de l’écobilan imbattable. D’après Hintennach, cela durera encore des années avant d’insérer la batterie lithium-soufre dans une voiture.
batteries Magnesium-soufre: phase labo precoce
En tant que matière première rare, la ‘consommation industrielle’ massive du lithium, en raison du revirement énergétique et de l’électromobilité, fait également l’objet de critiques. A l’instar du cobalt, le lithium est difficile à remplacer. “Mais c’est possible”, affirme Hintennach. “Car la batterie magnésium-lithium ne contient pas de lithium. Nous connaissons le magnésium sous la forme de craie et il est disponible librement et en grandes quantités. Mais les essais en labo avec des batteries magnésium-soufre en sont encore à un stade précoce.”
Superieur au Li-ion: l'etat solide
Une alternative Li-ion effective fait-elle défaut? Hintennach le dément d’emblée. Il existe des alternatives et d’après lui, il existe même des technologies qui, pour des applications spécifiques, sont supérieures à la batterie lithium-ion. Telle la batterie à l'état solide, qui sera montée dans grosso modo 5 ans dans le bus urbain Mercedes-Benz eCitaro. Cette technologie garantit un très long cycle de vie. Ici il n’est pas question de cobalt, de nickel ou de manganèse mais la densité énergétique est plutôt faible. La batterie est donc relativement grande et se recharge lentement. Convient plutôt aux grands véhicules utilitaires, dès lors. Pas pour les voitures particulières électriques qui peuvent encore utiliser pendant des années la batterie lithium-ion encore en ligne de compte pour l’optimisation. .
La solution post-Li-ion n'est pas (encore) disponible
risque reduit de recherches continues
Même si les batteries – telles qu’aujourd’hui – ne peuvent pas encore être rechargées avec une électricité neutre en CO2, les voitures électriques entraînent jusqu’à 40% d’émissions en moins durant leur cycle de vie que les voitures à essence comparables et jusqu’à 30% de moins que les véhicules diesel. D’après Hintennach, ces chiffres ne tiennent pas encore compte des réductions de CO2 visées d’ici 2039 ou du recyclage des futures matières premières
Cellules de batterie avec électrolytes liquides ou solides, anodes en compositions lithium-métal ou systèmes lithium-soufre (dont plus à ce propos). Il s’agit à chaque fois d’une technologie profondément différente. De techniques ayant des besoins de matériau très spécifiques. De batteries également pour diverses applications et, à tout le moins, de batteries qui affichent une grande différence en termes de maturité ou de lancement de la production. Chacun des exemples de systèmes de batteries précités a ses avantages et ses inconvénients. L’aspect positif est que les possibilités et les chances de réussite de ces technologies ont été étudiées. Ceci permet de tirer des leçons qui aident à minimiser le risque d’impasses dans les tests lors de la recherche suivante.
recharge rapide et plus grande autonomie
”Ce n’est pas encore pour demain mais ce n’est plus très loin”, affirme Hintennach. Il évoque les batteries dans lesquelles le revêtement de graphite sur l’anode se remplace par une feuille de lithium-métal ou de poudre de silicium. Une conséquence directe est une augmentation sensible de la densité énergétique. Lisez: plus grande autonomie et recharge plus rapide.
Les batteries à l’état solide offre un surcroît de sécurité mais Hintennach précise que “nous visons encore des temps de recharge écourtés et il subsiste encore bien des recherches, certainement sur le plan de la durée de vie.” C’est donc une technologie qui demande encore du temps pour arriver à maturité. Certainement en ce qui concerne l’application dans les voitures particulières.
Et le lithium-soufre ou lithium-oxygene?
”Le lithium-soufre est une alternative possible”, affirme Hintennach. “Si nous remplaçons le nickel et le cobalt dans les batteries existantes par le soufre, nous pouvons augmenter la durabilité. Ceci est bénéfique pour la densité énergétique. Mais …. le facteur durée de vie peut être sensiblement amélioré.” Du reste, Hintennach s’attend à ce qu’une percée en cette matière se fasse encore un peu attendre.
“Une cellule de batteries lithium-air est constituée de lithium en majorité. Le matériau restant, à savoir l’oxygène provient de l’air amené. D’un point de vue chimique, le concept lithium-oxygène peut être quelque peu comparé à une pile à combustible dans laquelle est acheminé de l’hydrogène. Lors d’essais précoces en laboratoire, il a été démontré que la densité énergétique du procédés lithium-oxygène est excellent. Mais les mêmes observations en laboratoire ont clairement établi que cette technologie est fortement éloignée du lancement de la production.”
conclusion
Avec le Vision AVTR, Mercedes-Benz présente une vision durable sur la mobilité exempte d’émission. Neutralité d’émission également sur le plan de la propulsion et, à tout le moins, en matière de stockage d’énergie. La raison: la technologie de batterie révolutionnaire. Les batteries AVR constituent en effet une composition de cellules résultant d’une chimie cellulaire organique. Ceci à base de graphène. Cette technologie n’exige donc pas des métaux rares, toxiques ou de plus en plus onéreux. Le grand avantage est 100 % de possibilité de recyclage. En effet, ce recyclage peut se faire sur base du compostage, ce qui crée des perspectives en matière d’économie circulaire des matières premières..
D’autres avantages de cette chimie cellulaire organique? Une densité énergétique exceptionnelle, une capacité de charge d’une exceptionnelle rapidité et… une voiture avec une batterie au graphène pèsera nettement moins et sera dès lors plus économe en énergie. (N.d.l.r.: bien que le graphène soit considéré comme une sorte de matériau miracle pour l’avenir de la batterie, nous devons rester vigilants face aux dangers potentiels que peuvent causer les nanoparticules de graphène dans le corps humain. Ou ne peut-on pas se poser cette question dans un monde de saccage énergétique après que des particules diesel nettement plus grandes ont soi-disant menacé l’humanité?)
“Les batteries organiques font actuellement partie de notre recherche fondamentale”, conclut Hintennach. “Le potentiel est là mais il faudra encore attendre quelques années avant de commercialiser cette technologie.” Ou, comment il est démontré une fois de plus qu’une technologie effective pour remplacer les batteries de voiture très critiquées ne semble pas encore à portée de main.
