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Mathieu MORCRETTE
Ingénieur de Recherche CNRS
Directeur du Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides
Sébastien CAVALAGLIO
Responsable de l’unité de prototypage du RS2E CNRS
Mathieu Morcrette
06 20 64 28 79
Nous consommons les énergies fossiles ~ 3 millions de fois plus vite qu’elles sont naturellement produites
« Avenir » des Energies Non Renouvelables
(Larcher/Tarascon, 2014)
L’âge de pierre ne s’est pas arrêté parce qu’il n‘y avait plus de pierre
Énergies renouvelables
Difficulté: Convertir et stoker l’énergie renouvelable
à grande échelle et de façon rentable
Pourra t-on le faire dans le temps qui nous est imparti ?
Les Alternatives
Renewable EnergiesRenewable EnergiesRenewable Energies
La Mobilité Electrique
Source D./ Larcher LRCS/UPJV
Augmentation des projets de stockage électrochimique.dans les pays où les réseaux électriques sont faibles ou peu d’accès à l’énergie
Le Stockage de l’Energie Stationnaire
Zoe 1 : 22 kWh / 290 kg = 75 Wh/kg
Zoe 2 : 41 kWh / 305 kg = 134 Wh/kg
X 1.8 densité d’énergie massique et volumique
240 Wh/kgDurée de vie : 3 ans
La Mobilité Electrique
170 km (été)
300 km (été)
CHIFFRES CLES (source : Avicenne Energy)
La quantité de batterie installée (en MWh) en 2015 = 2010 x 2
> La batterie Plomb représente 90% de l’énergie installée en 2015 mais problèmes écologiques etperformances limitées
> Les batteries Li-ion (1991) représentent 38% (en valeur) du marché des batteries en 2015 (25 milliards de $)
> Le Li-ion est en forte croissance + priorité recherche/industrie
Le Marché Des Batteries
LA FRANCE PIONNIÈRE EN RECHERCHE…
• Solide tradition avec l’école de chimie du solide française (Rouxel, Figlarz, Delmas…)• Découverte et utilisation du LFP (Armand et Masquelier)• Batterie plastique (Tarascon)• Electrode de graphite (Nancy, Grenoble)
… MOINS EN INDUSTRIE
• la France a raté le coche de l’industrialisation (99% des batteries Li-ion sont produites en Asie).• nos deux industriels majeurs Saft (Bordeaux) et BlueSolutions (Bretagne) produisent des batteries « de niche »
MAIS LES ESPOIRS SONT PERMIS…
• Rachat de Saft par Total en juillet 2016 (1 milliard d’€) avec la volonté d’en faire un acteur de premier plan du marché des batteries actuelles et futures (projection marché 2025 : 140 milliard de $)
• Réseau RS2E rapprochant laboratoires CNRS/Universités et industriels pour accélérer le transfert technologique (ex: batterie sodium-ion)
Quid de la France
Et après ?
Au-delà de 2020/2025, les industriels poussent la recherche en anticipant un shift
vers de nouvelles technologies très prometteuses …
La France est-elle encore
dans la course ?
Organisation de la Recherche en France :
LE RS2E
OBJECTIFS
• Résoudre les blocages scientifiques et technologiques des systèmes de
stockage électrochimiques (batteries,
supercondensateurs) pour
applications mobiles et stationnaires
• Développer l’expertise française dans
le domaine
• Améliorer le transfert de technologie
de la recherche vers l’industrie
RS2E = RÉSEAU SUR LE
STOCKAGE ELECTROCHIMIQUE DE
L’ENERGIE
18 INDUSTRIELS
3 ORGANISMES DE
RECHERCHE
TECHNOLOGIQUE
17 LABORATOIRES
CNRS/UNIVERSITE
LA FORCE DE FRAPPE FRANCAISE:
AMIENS AU COEUR D’UN RESEAU D’EXPERTS
AU CŒUR DU RS2E : LE LRCS à AMIENS
Réseau initié à partir du LRCS
Cœur administratif actuel du RS2E et siège de son quartier général
Politique de ville et soutien régional fort
Equipe française la plus importante dédiée aux batteries (90 personnes)
Volonté d’industrialiser ici la future batterie
LE HUB : Un outil fantastique
Un outil de pointe à la hauteur des concurrents allemands et américains
Equipements de transferts uniques en France (production de batterie proto au format industriel 18650)
Un endroit tourné vers la connexion : accueil facilité des industriel et chercheurs
1> 1968 : Création Laboratoire de Réactivité et de Chimie des Solides (LRCS)(travaux sur batteries au Plomb)
2> 1994 : Jean-Marie Tarascon prend la direction et intègre la dimension Electrochimie
3> depuis 2008 : Mathieu Morcrette dirige le LRCS. Répondre
aux défis de la transition énergétique et développement
des activités de prototypage…
AMIENS ET LA CHIMIE
Juin 2000Dynamique de croissance forte 65 pers en 2011, 110 en 2019
100 % d’augmentation en 8 ans
« Je vous dirai, en outre, que les
piles au sodium doivent être
considérées comme les plus
énergiques, et que leur force
électromotrice est double de celle des piles au zinc. »
Capitaine Némo
NOS AXES DE TRAVAIL
Batteries moins chères
Utilisation d’éléments abondants (Al vs. Co, Fe…)
Meilleure densité d’énergie(autonomie)
Meilleure recyclabilité (batterie organique)
Voies de production moinsénergivore des matériaux
Sécurité améliorée
…
AXES DE RECHERCHE ET AVANCEES:DE LA RECHERCHE AU PROTOTYPE
NOS AVANCÉES
Mise en place d’une ligne de prototypage unique en France
Méthode d’analyse de batteries en fonctionnement
Nouvelles technologies de batteries (Li/S, Li-air, Redox Flow, microbatteries3D)
Prototype de nouvelle batterie Na-ion
…
PrototypageUpscaling
Labo1g
201530g
2016300g
2017850g
20185kg
Les plateformes de Pré-transfert du RS2E
Choix d’une technologie : de nombreux
paramètres à pondérer selon l’application
Durées de vie
Densités E/P volumiques
(Wh/L, W/L)
et massiques (Wh/kg, W/L)
Accès aux Matières Premières
Recyclage
Coûts
Energétique/CO2
Coût
Sécurité
Température de
fonctionnement
Puissance en Charge /
Décharge
(W/L, W/kg)
La Technologie Li-ion : de nombreux matériaux
V
Electrolyte
non aqueux
CathodeAnode
Li+
Li+
-
a
Li4Ti5O12
1.5 V
LixSiy
0.4 V
LixC6 0.2 V
LiMn2O4
3.9 VLiCoO2
4.2 V
+
LiFePO4 3.45 V
LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCA)
LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 (NMC)
NMC 532, 622, 532
Puissance
2 à 10 kW / kg
240 Wh/kg
700 Wh/L
Energie
Composite Si/C
Technology LFP // Graphite 76 kWh
1020 kg of batteries 74 Wh/kg
Charge en 6 mn (4 C)
Technology LFP // Li metal bolloré
240 kWh de batterie, 180-250 km d’autonomie
90 à 150 kWh Charge rapide et/ou lente
Technology NMC//LTO
LFP // Graphite
324 kWh
Technologies vs usages
Positionnement du projetLe Na-ion : pourquoi sa résurrection ???
Incertitudes sur les réserves de Li + problèmes géopolitiques
Aller dans le sens du développement durable
Plus grande disponibilité des précurseurs
Coût moindre
● Pros and cons
Sodium ne réagit pas avec Al
+
- Potentiel Redox vs. NHE
Masse molaire plus élevée
Besoin de "Benchmarker" la technologie Na-ion vs. Li-ion
Lancement du projet au sein d’ALISTORE en 2011 par une thèse
Dynamisation des recherches au sein du RS2E en 2012
Résultats intéressants et prometteurs
Lancement en juillet 2013 via une "task force" RS2E-CEA
2015: Asssemblage du 1er prototype Na-Ion 18650 au
monde
Le projet et son histoire
La technologie Na-ion: Une recherche effrénée vers de nouveaux matériaux
CVV
2015CVV
CVV
20101980
D. Larcher and J.M. Tarascon, Nature Chemistry 7, 19–29 (2015))
30 years 5 years
Na2Fe2(SO4)3
Polyanioniccompounds
Layeredcompounds
Carbons
Na3V2(PO4)2F3/ NaPF6 / C Na0.7Fe0.5Mn0.5O2 / NaPF6 / C
Polyanionic compounds Layered compounds
Les prototypes18650 Na3V2(PO4)2F3/C:Performances en cyclage, puissance, et sécurité
Tests abusifs sur accumulateurs Na-ion
• Surcharge• Court-circuit externe• Test au clou
Chimie stablePas d’emballement thermique
Sécurité OK
Cyclabilité
GEN1 : 1400 cycles @ CGEN2 : > 4000 cycles @ C (en cours)
4000 cycles
Puissance
75% capacité restituée @ 100 C
2.5kW W/Kg
Coupure: 2.3V
40 Amps
(SCIB …)
Avant nous nous serions arrêté là….
Et bien d’autres histoires à Inventer
Environmental footprint
Lower energy synthesis
New Materials
P. Poizot, F. Dolhem, Energy & Environ. Sci. 4, 2003 (2011)
22
0
0.5
1.5
1.0
2.5
3.5
4.5
2.0
3.0
4.0
50 65 80 95 110 125 140 155 170 185 200 215 230 245Capacity / mAh.g-1
Po
ten
tia
l(V
) v
s.
Li+
/Li0
120 mAh/g2.85 V
210 mAh/g2.6 V
160 mAh/g2.95 V
140 mAh/g2.4 V
132 mAh/g2.22 V
234 mAh/g0.9 V210 mAh/g
0.85 V
170 mAh/g1.2 V
170 mAh/g0.65 V
130 mAh/g3.5 Vcv
80 mAh/g3.1 V
60 mAh/g4.1 V 250 mAh/g
3.5 V107 mAh/g
3.55 V
112 mAh/g3.6 V
120 mAh/g2-4 V
120 mAh/g1.22 V
220 mAh/g3.4 V
200 mAh/g3.5 V
O
O
LiO
OLi
0.72 V
220 mA.h.g-1
Organic-based materials for energy storage
Industrial partners, networks, EU projects