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Article | Efficacité énergétique


Garantir l'efficacité énergétique des transports

Batteries Li-ion

Publié le 1 décembre 2016

Impliqué sur le développement des batteries Li-ion depuis le début des années 90, le Liten couvre toute la chaîne de valeur, depuis la synthèse des nouveaux composés actifs jusqu'à l'assemblage final en packs, en passant par la fabrication des composants et accumulateurs. Ses efforts de recherche technologique portent sur la mise au point de batteries adaptées à différentes applications avec un focus important sur la mobilité électrique (véhicules électriques ou hybrides rechargeables). Dans ce cadre, les efforts sont plus spécifiquement consacrés à la mise au point de batteries légères et de faible volume, garantissant une grande quantité d'énergie embarquée pour assurer l'autonomie des véhicules.

Le Liten présente la particularité d'être le seul institut à proposer une activité totalement intégrée dans ce domaine. Il intervient en effet dans la préparation des matériaux actifs, leur mise en œuvre sous forme d'électrodes intégrées dans les accumulateurs, l'installation de packs batteries complets à l'échelle d'un véhicule électrique, le suivi de la performance des systèmes, l'évaluation en comportement de la sécurité des technologies, la mise au point d'indicateurs fiables d'état de charge et de santé des batteries ainsi que leur recyclage. Il s'appuie pour cela sur les outils de la plateforme de réalisation d'accumulateurs et de pack batterie et les différents laboratoires de chimie du CEA Grenoble, ainsi que sur les bancs de tests électriques situés à l'INES à Chambéry.

Parmi les principales réalisations, le  Liten a notamment développé une technologie à base de phosphate de fer lithié (LFP) qui permet une sécurité renforcée de l'accumulateur en comparaison à d'autres chimies à base de nickel ou de cobalt. Cette technologie présente l'avantage d'être facilement mise en œuvre dans les procédés industriels des fabricants d'accumulateurs. Un transfert de technologie a d'ailleurs été réalisé en 2008 auprès de la société belge Prayon. Cette technologie et d'autres développées au LITEN ont également donné naissance en 2009 à la société Prollion, joint-venture entre Alcen et le CEA Investissement qui conçoit, développe et fabrique des accumulateurs et des systèmes de batteries lithium-ion.

Les équipes concentrent désormais une bonne partie des efforts de R&D à doubler l'autonomie des batteries. Leurs travaux portent principalement sur deux axes, un concernant une évolution du Li-Ion à partir de nouveaux oxydes riches en lithium à l'électrode positive et de l'introduction de silicium à l'électrode négative, et un second relatif aux technologies dites post-Li-Ion avec en particulier la technologie lithium soufre, dont la mise sur le marché pourrait intervenir à l'horizon 2020 ou 2025 selon les applications.

AVANTAGES

Une maîtrise de toute la chaîne de valeur

  • Pour les chimistes : grâce aux travaux menés depuis près de 20 ans sur les nouvelles chimies de matériaux actifs, le Liten a développé une forte expertise et est maintenant force de proposition sur ce sujet. Plusieurs modes de coopération sont envisageables, les industriels peuvent apporter leurs propres matériaux, en développer de nouveaux avec les équipes avec le CEA ou encore s'appuyer sur ceux développés au Liten. Nos installations permettent le passage de synthèses à l'échelle du gramme au niveau laboratoire jusqu'au kilogramme de poudre à l'échelle pilote, véritable point différenciant par rapport aux autres instituts de recherche.
  • Pour les fabricants de batteries : accès à des lignes de prototypage versatiles d'accumulateurs, réalisation de design spécifiques, possibilité d'intégrer des chimies différentes de celles utilisées sur leurs propres lignes de production et accès à des équipements adaptés à des petites séries.
  • Pour les utilisateurs finaux : expertise sur les technologies lithium-ion et également sur d'autres chimies allant du plomb-acide aux systèmes dits redox-flow, tests comparatifs de performance, durée de vie… Capacité à réaliser des design très spécifiques adaptés à des applications particulières (batteries imprimées, flexibles, applications médicales implantables, aéronautique, spatial, militaire…)
PROJETS
  • Le CEA Liten a travaillé en  2009 sur le projet de bus électrique Ellisup  d'Iveco, soutenu par l'ADEME. Ses recherches ont porté sur le développement de batteries Li-ion à très forte puissance jusqu'à leur intégration dans le véhicule.
  • Il participe à un programme de développement de batteries pour véhicules électriques pour Renault, initié en 2010. Il a notamment réalisé le système batterie intégré au prototype de Renault Eolab, un système hybride performant qui présente une consommation de 1l/100 km.
  • Il a développé un pack batterie embarqué dans le plancher de véhicules électriques dans le cadre du projet FUI Forewheel piloté par Michelin. 11 000 km ont été parcourus en 2011 avec des tests embarqués.
  • Il a mis en pratique son savoir-faire en matière d'intégration d'accumulateurs dans le pack batterie de l'avion électrique E-FAN, développé par Airbus, qui a traversé la Manche en juillet 2015 à une vitesse de 160 km/h, avec une autonomie supérieure de 60 % aux  batteries existantes.
  • Il intervient dans le projet VUE-Flex soutenu par Bpifrance, visant à développer un véhicule utilitaire 3,5 tonnes, flexible, intelligent et compétitif, dont le niveau d'électrification est défini au juste besoin.
  • Il est également impliqué dans plusieurs programmes européens tels que :
    • Mat4bat, qui mobilise 17 partenaires sur deux axes : d'une part l'évaluation de batteries commerciales afin d'obtenir les meilleurs conditions de charge et de durée de vie ; d'autre part le développement de nouvelles chimies pour une génération de batteries Li-ion à forte durée de vie atteignant des densités massiques d'énergie allant de 200 Wh/kg à 250 Wh/kg dans un second temps pour application à la mobilité électrique ou au stockage stationnaire. Il travaille également sur les packagings innovants pour améliorer la sécurité des accumulateurs.
    • Il vient d'intégrer le projet européen Esprit (2015-2018) visant à développer des solutions de transport rapide personnalisé (ou moyens de transports collectifs légers) dans lequel il réalise l'électronique de puissance relative à la chaîne de traction, la charge mutualisée des véhicules et le contrôle commande des véhicules et trains routiers (freinage, chaîne de traction, auxiliaires, contrôle de trajectoire).
    • Le projet européen Everlasting (2016-2020) implique 11 partenaires et a pour objectif d’accélérer le déploiement des véhicules électriques à batterie en Europe. L’augmentation de la durabilité des batteries et de leur niveau de sécurité passera par l’amélioration des méthodes de diagnostic en temps réel et de la gestion thermique au niveau cellule et pack batterie. Les algorithmes et nouvelles architectures développés seront testés sur véhicules.
REPERES
  • 250 brevets sur les batteries
  • 200 personnes travaillent sur la thématique des batteries
- Delmas, C., Maccario, M., Croguennec, L., Le Cras, F., Weill, F., « Lithium deintercalation in LiFePO4 nanoparticles via a domino-cascade model », (2008) Nature Materials, 7 (8): 665-671 Aug 2008
 
- Boulineau, A., Simonin, L., Colin, J.-F., Bourbon, C., Patoux, S., « First Evidence of Manganese-Nickel Segregation and Densification upon Cycling in Li-Rich Layered Oxides for Lithium Batteries », (2013) Nano Letters Volume : 13   Issue : 8   Pages : 3857-3863   DOI : 10.1021/nl4019275   Published : Aug 2013
 
- Waluś, S.,  Barchasz, C.,  Bouchet, R.,  Leprêtre, J.-C.,  Colin, J.-F.,  Martin, J.-F.,  Elkaïm, E.,  Baehtz, C.,  Alloin, F., « Lithium/Sulfur Batteries Upon Cycling: Structural Modifications and Species Quantification by In Situ and Operando X-Ray Diffraction Spectroscopy », (2015) Advances energy materials
 

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Pour en savoir plus

  Pour en savoir plus sur l’étude des émissions acoustiques des batteries, cliquez ici.

  Pour en savoir plus sur la technologie lithium-soufre, cliquez ici.

  Pour en savoir plus sur des cellules de batteries lithium pour applications spatiales, cliquez ici.

visuel Na ion.jpg   Pour en savoir plus sur la technologie sodium-ion, cliquez-ici.

Pour en savoir sur l'électrification de véhicules de chantier de tunnels; cliquez-ici.


Vidéotraversée de la manche Efan.mp4




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  • 250 brevets sur les batteries
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