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Énergie
&
Batteries
Y aura-t-il assez de lithium ?
Quel rôle dans nos vies ?
Comment la garder en bon état ?
Montres
Téléphones portables
Clefs de voiture
Prothèses auditives,
pacemaker
Casque ou oreillette
Bluetooth
Télécommande de
porte de parking
La vie sans batteries : cherchez l’intrus
A B C
1
2
3
Le système de réglage de l’exposition est électrique
Le moteur pour faire avancer le film est en option
● L’électricité commence à être comprise et maîtrisée par l’humanité au XVIIIème siècle
● En 1799, au bout de 10 ans d’expérimentation sur le potentiel d’oxydoréduction des métaux,
Volta met au point la première pile électrochimique, première source continue d’électricité
● Rapidement diffusée, elle accélère les travaux des physiciens du XIXème siècle
Pile de Sir Humphry à la Royal Institution en 1802
La plus puissante du monde à son époque.
La première lampe à incandescence et la première lampe à arc.
Un peu de chimie ...
● Anode : Pb(s) + SO4
2- → PbSO4(s) + 2e-
● Cathode : PbO2(s) + 4H+ + SO4
2- + 2e- → PbSO4(s) + 2H2O
2e-
H+
Anode en mousse de plomb
Cathode en dioxyde de plomb
Séparateur
Solution aqueuse d’acide sulfurique
Courant
conventionnel
SO4
2-
SO4
2-
SO4
2-
SO4
2-
SO4
2-
SO4
2-
SO4
2-
SO4
2-
SO4
2-
SO4
2-
SO4
2-
SO4
2-
Perte d’électrons
=
oxydation
Gain d’électrons
=
réduction
Fonctionnement d’un accumulateur au lithium
Perte d’électrons
=
oxydation
Gain d’électrons
=
réduction
Fonctionnement d’un accumulateur au lithium
e-
Anode en graphite
Cathode en oxyde métallique
Séparateur
Solution organique de sels de lithium
Perte d’électrons
=
oxydation
Gain d’électrons
=
réduction
Li+
● Le lithium est un petit atome
● Lorsque la batterie est chargée, il s’intercale entre des feuillets de graphite
● L’ion Li+ traverse le séparateur et vient s’intercaler dans un oxyde métallique
LiC2
→ Li+
+ e-
+ 6C
MnO2
+ Li+
+ e-
→ LiMnO2
Pourquoi l’accumulateur produit du courant
Comparaison de différentes technologies
Dans un futur lointain très « années 70 »
Crédits : MGM L’homme au pistolet d’or - 1974
Hélium liquide
Bobine
supraconductrice
11,4 V 45 Wh = 162 kJ
18 Wh – 243 Wh/kg
Formats, taille et structure des accumulateurs Li-ion
Y aura-t-il assez de lithium ?
Production d’accumulateurs au lithium
Sir Michael Faraday
1 Faraday = 1 mole d’électrons
1 Faraday = 96485 C
1 Ah = 3600 C
5 Ah = 18000 C
6,941 g/mol7
Li (92,5%) et 6
Li (7,5%) 13900 C/g
1,29 g de lithium actif
Environ 15 % du lithium participe à la réaction électrochimique 8,63 g de lithium
5 Ah x 3,7 V = 18,5 Wh
En 2017 la production atteindra
66 GWh.
Soit l’équivalent de 3,6 milliards
d’accumulateurs du type
représenté sur cette planche.
Cela représente 31000 t de
lithium métallique.
Production mondiale :
2015 32500 t (hors USA)
Réserves mondiales prouvées :
2016 14.000.000 t
France 140.000 t (1%)
L’eau de mer contient aussi du
lithium à faible concentration :
Océans 230.000.000.000 t
L’exploitation minière
Par Shark sur Wikipedia lituanien — Transféré de lt.wikipedia à Commons par Hugo.arg utilisant CommonsHelper., Domaine public,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9924120
L’explosion de la demande
●
Les chinois prévoient d’installer de nouvelles capacités égales à 3,5
x la Gigafactory Tesla
● Ces capacités à elles seules consommeraient plus de 100.000 t de
Li métal, soit plus de 500.000 t de carbonate de lithium minier par an
● Quelques dizaines d’années de réserves
● De quoi fabriquer 60.000.000 de voitures
Sommes-nous condamnés ?
● 1 milliard de voitures dans le monde
● Des ressources limitées en lithium, cobalt, nickel
Nouvelles pistes : le sodium
● Très courant : Na Cl
● 3 fois plus lourd
● 2 charges
A l’état de prototype de taille standard
Sera au point bien avant l’épuisement du lithium
Nouvelles pistes : le recyclage
● L’économie circulaire est l’économie du futur
● 40 % du nickel commercialisé chaque année est recyclé
● Un quart du cobalt utilisé vient du recyclage
● L’aluminium avec le fer et l’acier, fait partie des métaux les plus
recyclés car le coût énergétique du recyclage est équivalent à
5 % du coût énergétique de fabrication à partir de bauxite
● Le lithium peut être recyclé, mais ce n’est pas encore fait car la
viabilité commerciale n’est pas assurée
Comment garder ses batteries
en bon état ?
Sécurité des batteries au lithium
un sujet … brûlant !
Cause
● Une température trop élevée entraîne inévitablement sur la plupart des types de
batterie Li-ion une divergence thermique explosive
● La chaleur accélère tous les processus de vieillissement et de défaillance
● L’électrolyte organique est combustible
● La cathode LiCoO2 libère de l’oxygène (comburant) en se décomposant
Mécanismes
● Environnement chaud
● Surcharge, charge permanente ou inadaptée
● Court-circuit interne Samsung Galaxy Note 7
Copie d’iPhone
Court-circuits internes
● Une batterie ne doit pas être chargée tant qu’elle est gelée (T < 0°C) car le lithium se
dépose sous forme métallique sur l’anode en graphite
● L’anode gonfle en se chargeant, et pousse les dendrites contre le séparateur qui se perce
rapidement
● Les surcharges entraînent aussi la formation de particules métalliques réduites à partir
d’oxydes présent comme impuretés dans les matériaux réactifs
● Les surcharges favorisent la croissance
de l’interface solide-électrolyte sur l’anode
● Cette SEI croît de manière irrégulière
et au dessus d’une certaine épaisseur
empêche les ions d’atteindre le graphite
● Ce mécanisme fait aussi croître des
dendrites
Vieillissement
● L’intercalation d’ions lithium crée des contraintes mécaniques
● Les feuillets de graphite s’écartent : gonflement de 8 à 10 %
● La cathode reprend des efforts internes importants mais change peu de
volume
● Ces forces remodèlent les matériaux
poreux et réduisent les surfaces
électro-actives
● La résistance interne augmente
● La capacité diminue
Destruction à froid
Le simple fait d’appuyer sur une batterie souple peut endommager les électrodes en modifiant leur porosité
Un accumulateur au lithium endommagé risque d’exploser tôt ou tard, au lieu de vieillir lentement.
A ne JAMAIS faire
● Ne jouez pas avec des accumulateurs au lithium : ils contiennent
beaucoup d’énergie et des matériaux combustibles
● Remplacez immédiatement ceux qui ont été endommagés et
n’essayez pas de les recharger
● Ne laissez pas un appareil équipé d’une batterie au lithium dans une
voiture en plein soleil : la température peut dépasser 70°C. Si vous
avez de la chance la batterie sera endommagée, mais vous risquez
de la faire exploser et de brûler la voiture avec
● Ne pas charger une batterie très froide : la plupart ne doivent pas être
chargées à une température négative (consulter le manuel)
A éviter pour les garder longtemps
● N’exposez pas les accumulateurs à une chaleur excessive (>30°C) : si vous avez
chaud, ils ont trop chaud
● Ne les chargez pas s’ils sont trop chauds ou trop froids : attendez d’avoir stabilisé
leur température à une valeur moyenne
● Ne les laissez pas connectés au chargeur lorsqu’ils sont chargés
● Si votre téléphone a une recharge rapide, ne le laissez pas branché toute la nuit
● N’attendez pas que la batterie soit vide pour la recharger
● Ne rechargez pas la batterie complètement si vous n’en avez pas besoin
● Ne laissez pas une batterie complètement déchargée car une tension trop faible peut
provoquer des réactions électrochimiques indésirables et irréversibles
Recommandations
1) Rechargez dès que possible et aussi souvent que possible, sans
surcharger
2) Protégez vos appareils de la chaleur
3) Une fois par mois au plus, attendez que l’alarme de niveau bas
batterie se déclenche et rechargez complètement votre batterie
Cette procédure permet au logiciel de se recaler, afin qu’il vous
laisse utiliser toute l’énergie contenue dans votre batterie
4) Faites-vous aider par une application
Énergie
&
Batteries
Y aura-t-il assez de lithium ?
Quel rôle dans nos vies ?
Comment la garder en bon état ?
3 parties de 15 minutes chacune suivies de 5
minutes de pause et de questions.
Je commence par me présenter en 3 minutes.
Montres
Téléphones portables
Clefs de voiture
Prothèses auditives,
pacemaker
Casque ou oreillette
Bluetooth
Télécommande de
porte de parking
La vie sans batteries : cherchez l’intrus
A B C
1
2
3
Le système de réglage de l’exposition est électrique
Le moteur pour faire avancer le film est en option
● L’électricité commence à être comprise et maîtrisée par l’humanité au XVIIIème siècle
● En 1799, au bout de 10 ans d’expérimentation sur le potentiel d’oxydoréduction des métaux,
Volta met au point la première pile électrochimique, première source continue d’électricité
● Rapidement diffusée, elle accélère les travaux des physiciens du XIXème siècle
Pile de Sir Humphry à la Royal Institution en 1802
La plus puissante du monde à son époque.
La première lampe à incandescence et la première lampe à arc.
Un peu de chimie ...
● Anode : Pb(s) + SO4
2- → PbSO4(s) + 2e-
● Cathode : PbO2(s) + 4H+ + SO4
2- + 2e- → PbSO4(s) + 2H2O
2e-
H+
Anode en mousse de plomb
Cathode en dioxyde de plomb
Séparateur
Solution aqueuse d’acide sulfurique
Courant
conventionnel
SO4
2-
SO4
2-
SO4
2-
SO4
2-
SO4
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SO4
2-
SO4
2-
SO4
2-
SO4
2-
SO4
2-
SO4
2-
SO4
2-
Perte d’électrons
=
oxydation
Gain d’électrons
=
réduction
Dans le cas de la batterie au plomb, il se trouve que
l’oxydation de l’anode en Pb et la réduction de la
cathode en dioxyde de plomb donnent toutes deux
du sulfate de plomb.
Les électrons ne se déplacent pas directement dans
la solution. Ils se combinent avec les ions H+ pour
donner de l’eau. Les ions H+ sont les porteurs de
charge qui se déplacent, comme les électrons de
l’anode à la cathode. Comme leur charge électrique
est opposée, ils complètent le circuit électrique.
Fonctionnement d’un accumulateur au lithium
Perte d’électrons
=
oxydation
Gain d’électrons
=
réduction
Dans le cas de la batterie au plomb, il se trouve que
l’oxydation de l’anode en Pb et la réduction de la
cathode en dioxyde de plomb donnent toutes deux
du sulfate de plomb.
Les électrons ne se déplacent pas directement dans
la solution. Ils se combinent avec les ions H+ pour
donner de l’eau. Les ions H+ sont les porteurs de
charge qui se déplacent, comme les électrons de
l’anode à la cathode. Comme leur charge électrique
est opposée, ils complètent le circuit électrique.
Fonctionnement d’un accumulateur au lithium
e-
Anode en graphite
Cathode en oxyde métallique
Séparateur
Solution organique de sels de lithium
Perte d’électrons
=
oxydation
Gain d’électrons
=
réduction
Li+
● Le lithium est un petit atome
● Lorsque la batterie est chargée, il s’intercale entre des feuillets de graphite
● L’ion Li+ traverse le séparateur et vient s’intercaler dans un oxyde métallique
LiC2
→ Li+
+ e-
+ 6C
MnO2
+ Li+
+ e-
→ LiMnO2
L’ion lithium réagit avec l’eau pour former de
l’hydroxyde de lithium, d’où l’électrolyte à base
organique.
L’anode peut être métallique : c’est la batterie lithium
métal. Dans tous les cas, une faible fraction du
lithium contenu dans la cathode fait l’aller-retour,
sinon la cathode se désintègre.
Pourquoi l’accumulateur produit du courant
Comparaison de différentes technologies
CAPA : condensateurs électriques
SMES : superconducting magnetic storage
Dans un futur lointain très « années 70 »
Crédits : MGM L’homme au pistolet d’or - 1974
Hélium liquide
Bobine
supraconductrice
Chaque marmite stocke l’équivalent en électricité
d’une batterie de voiture, mais avec la capacité de
se charger ou de se décharger en 10 secondes.
Cette technologie est utilisée pour stabiliser certains
réseaux électriques, mais elle est chère par rapport
à d’autres solutions.
11,4 V 45 Wh = 162 kJ
18 Wh – 243 Wh/kg
Formats, taille et structure des accumulateurs Li-ion
Y aura-t-il assez de lithium ?
Production d’accumulateurs au lithium
Sir Michael Faraday
1 Faraday = 1 mole d’électrons
1 Faraday = 96485 C
1 Ah = 3600 C
5 Ah = 18000 C
6,941 g/mol7
Li (92,5%) et 6
Li (7,5%) 13900 C/g
1,29 g de lithium actif
Environ 15 % du lithium participe à la réaction électrochimique 8,63 g de lithium
5 Ah x 3,7 V = 18,5 Wh
En 2017 la production atteindra
66 GWh.
Soit l’équivalent de 3,6 milliards
d’accumulateurs du type
représenté sur cette planche.
Cela représente 31000 t de
lithium métallique.
Production mondiale :
2015 32500 t (hors USA)
Réserves mondiales prouvées :
2016 14.000.000 t
France 140.000 t (1%)
L’eau de mer contient aussi du
lithium à faible concentration :
Océans 230.000.000.000 t
La production est généralement chiffrée en
équivalent de carbonate de lithium Li2CO3 qui
contient 18,79 % de lithium.
Au USA une nouvelle société Simbol Materials utilise
les saumures des usines géothermiques comme
source de lithium. La société prévoit d’extraire
16000 t/an de carbonate, soit environ 3000 t de
lithium par an.
L’exploitation minière
Par Shark sur Wikipedia lituanien — Transféré de lt.wikipedia à Commons par Hugo.arg utilisant CommonsHelper., Domaine public,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9924120
Le lithium est facilement extrait des saumures qui se
trouvent sous les salars. Sa concentration la plus
élevée se trouve au Chili, dans le salar d’Atacama,
et atteint 2700 ppm.
Les minerais rocheux sont de moins en moins
exploités car ils sont durs, et l’exploitation est
coûteuse. La mine de Greenbushes en Australie
reste une exception car c’est la plus forte
concentration mondiale de lithium. On en extrait
plusieurs dizaines de milliers de tonnes de lithium
par an, essentiellement exporté vers la Chine.
L’explosion de la demande
● Les chinois prévoient d’installer de nouvelles capacités égales à 3,5
x la Gigafactory Tesla
● Ces capacités à elles seules consommeraient plus de 100.000 t de
Li métal, soit plus de 500.000 t de carbonate de lithium minier par an
● Quelques dizaines d’années de réserves
● De quoi fabriquer 60.000.000 de voitures
Gigafactory Tesla 16000 t de Li
Projet Northvolt en Suède 1 x Tesla
Projets chinois 3,5 x Tesla
Clairement pas soutenable à long terme. Permet de
construire un parc de 60.000.000 de voitures, ce
qui représente moins d’un an de production
automobile (90 millions). Avec une durée de vie de
15 ans cela limite fortement la pénétration des
voitures électriques sur le marché (environ 4%).
Pas d’impact significatif sur les émissions de CO2.
L’électrification au lithium devrait être réservée aux
véhicules professionnels (ceux qui roulent
beaucoup) et aux zone urbaines les plus polluées.
Sommes-nous condamnés ?
● 1 milliard de voitures dans le monde
● Des ressources limitées en lithium, cobalt, nickel
« Other land uses » inclut comme contributeurs
principaux le méthane émis par les activités
d’élevage et la déforestation. L’évolution de
l’utilisation des sols par l’homme en Europe et aux
USA a comme conséquence une absorption nette
de CO2.
La production d’électricité est un contributeur majeur
(centrales à charbon chinoises). La Chine émet
30 % du CO2 mondial. Ce sont en grande partie
des émissions déportées par les pays développés
qui ont délocalisé leur production industrielle en
Chine.
Réserves mondiales :
Nickel : 174 Mt (production annuelle 1,5 Mt)
Cobalt : 7 Mt (production annuelle 120.000 t environ)
Nouvelles pistes : le sodium
● Très courant : Na Cl
● 3 fois plus lourd
● 2 charges
A l’état de prototype de taille standard
Sera au point bien avant l’épuisement du lithium
Nouvelles pistes : le recyclage
● L’économie circulaire est l’économie du futur
● 40 % du nickel commercialisé chaque année est recyclé
● Un quart du cobalt utilisé vient du recyclage
● L’aluminium avec le fer et l’acier, fait partie des métaux les plus
recyclés car le coût énergétique du recyclage est équivalent à
5 % du coût énergétique de fabrication à partir de bauxite
● Le lithium peut être recyclé, mais ce n’est pas encore fait car la
viabilité commerciale n’est pas assurée
Comment garder ses batteries
en bon état ?
Sécurité des batteries au lithium
un sujet … brûlant !
Cause
●
Une température trop élevée entraîne inévitablement sur la plupart des types de
batterie Li-ion une divergence thermique explosive
● La chaleur accélère tous les processus de vieillissement et de défaillance
● L’électrolyte organique est combustible
● La cathode LiCoO2 libère de l’oxygène (comburant) en se décomposant
Mécanismes
● Environnement chaud
● Surcharge, charge permanente ou inadaptée
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Copie d’iPhone
Court-circuits internes
● Une batterie ne doit pas être chargée tant qu’elle est gelée (T < 0°C) car le lithium se
dépose sous forme métallique sur l’anode en graphite
● L’anode gonfle en se chargeant, et pousse les dendrites contre le séparateur qui se perce
rapidement
● Les surcharges entraînent aussi la formation de particules métalliques réduites à partir
d’oxydes présent comme impuretés dans les matériaux réactifs
●
Les surcharges favorisent la croissance
de l’interface solide-électrolyte sur l’anode
●
Cette SEI croît de manière irrégulière
et au dessus d’une certaine épaisseur
empêche les ions d’atteindre le graphite
● Ce mécanisme fait aussi croître des
dendrites
Vieillissement
● L’intercalation d’ions lithium crée des contraintes mécaniques
● Les feuillets de graphite s’écartent : gonflement de 8 à 10 %
● La cathode reprend des efforts internes importants mais change peu de
volume
● Ces forces remodèlent les matériaux
poreux et réduisent les surfaces
électro-actives
● La résistance interne augmente
● La capacité diminue
Destruction à froid
Le simple fait d’appuyer sur une batterie souple peut endommager les électrodes en modifiant leur porosité
Un accumulateur au lithium endommagé risque d’exploser tôt ou tard, au lieu de vieillir lentement.
A ne JAMAIS faire
●
Ne jouez pas avec des accumulateurs au lithium : ils contiennent
beaucoup d’énergie et des matériaux combustibles
● Remplacez immédiatement ceux qui ont été endommagés et
n’essayez pas de les recharger
● Ne laissez pas un appareil équipé d’une batterie au lithium dans une
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avez de la chance la batterie sera endommagée, mais vous risquez
de la faire exploser et de brûler la voiture avec
● Ne pas charger une batterie très froide : la plupart ne doivent pas être
chargées à une température négative (consulter le manuel)
A éviter pour les garder longtemps
● N’exposez pas les accumulateurs à une chaleur excessive (>30°C) : si vous avez
chaud, ils ont trop chaud
● Ne les chargez pas s’ils sont trop chauds ou trop froids : attendez d’avoir stabilisé
leur température à une valeur moyenne
● Ne les laissez pas connectés au chargeur lorsqu’ils sont chargés
● Si votre téléphone a une recharge rapide, ne le laissez pas branché toute la nuit
● N’attendez pas que la batterie soit vide pour la recharger
● Ne rechargez pas la batterie complètement si vous n’en avez pas besoin
● Ne laissez pas une batterie complètement déchargée car une tension trop faible peut
provoquer des réactions électrochimiques indésirables et irréversibles
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1) Rechargez dès que possible et aussi souvent que possible, sans
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3) Une fois par mois au plus, attendez que l’alarme de niveau bas
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Cette procédure permet au logiciel de se recaler, afin qu’il vous
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Technologie et entretien des petites batteries au lithium.

  • 1. Énergie & Batteries Y aura-t-il assez de lithium ? Quel rôle dans nos vies ? Comment la garder en bon état ?
  • 2. Montres Téléphones portables Clefs de voiture Prothèses auditives, pacemaker Casque ou oreillette Bluetooth Télécommande de porte de parking
  • 3. La vie sans batteries : cherchez l’intrus A B C 1 2 3
  • 4. Le système de réglage de l’exposition est électrique Le moteur pour faire avancer le film est en option
  • 5. ● L’électricité commence à être comprise et maîtrisée par l’humanité au XVIIIème siècle ● En 1799, au bout de 10 ans d’expérimentation sur le potentiel d’oxydoréduction des métaux, Volta met au point la première pile électrochimique, première source continue d’électricité ● Rapidement diffusée, elle accélère les travaux des physiciens du XIXème siècle Pile de Sir Humphry à la Royal Institution en 1802 La plus puissante du monde à son époque. La première lampe à incandescence et la première lampe à arc.
  • 6. Un peu de chimie ... ● Anode : Pb(s) + SO4 2- → PbSO4(s) + 2e- ● Cathode : PbO2(s) + 4H+ + SO4 2- + 2e- → PbSO4(s) + 2H2O 2e- H+ Anode en mousse de plomb Cathode en dioxyde de plomb Séparateur Solution aqueuse d’acide sulfurique Courant conventionnel SO4 2- SO4 2- SO4 2- SO4 2- SO4 2- SO4 2- SO4 2- SO4 2- SO4 2- SO4 2- SO4 2- SO4 2- Perte d’électrons = oxydation Gain d’électrons = réduction
  • 7. Fonctionnement d’un accumulateur au lithium Perte d’électrons = oxydation Gain d’électrons = réduction
  • 8. Fonctionnement d’un accumulateur au lithium e- Anode en graphite Cathode en oxyde métallique Séparateur Solution organique de sels de lithium Perte d’électrons = oxydation Gain d’électrons = réduction Li+ ● Le lithium est un petit atome ● Lorsque la batterie est chargée, il s’intercale entre des feuillets de graphite ● L’ion Li+ traverse le séparateur et vient s’intercaler dans un oxyde métallique LiC2 → Li+ + e- + 6C MnO2 + Li+ + e- → LiMnO2
  • 11. Dans un futur lointain très « années 70 » Crédits : MGM L’homme au pistolet d’or - 1974 Hélium liquide Bobine supraconductrice
  • 12. 11,4 V 45 Wh = 162 kJ 18 Wh – 243 Wh/kg Formats, taille et structure des accumulateurs Li-ion
  • 13.
  • 14. Y aura-t-il assez de lithium ?
  • 15. Production d’accumulateurs au lithium Sir Michael Faraday 1 Faraday = 1 mole d’électrons 1 Faraday = 96485 C 1 Ah = 3600 C 5 Ah = 18000 C 6,941 g/mol7 Li (92,5%) et 6 Li (7,5%) 13900 C/g 1,29 g de lithium actif Environ 15 % du lithium participe à la réaction électrochimique 8,63 g de lithium 5 Ah x 3,7 V = 18,5 Wh En 2017 la production atteindra 66 GWh. Soit l’équivalent de 3,6 milliards d’accumulateurs du type représenté sur cette planche. Cela représente 31000 t de lithium métallique. Production mondiale : 2015 32500 t (hors USA) Réserves mondiales prouvées : 2016 14.000.000 t France 140.000 t (1%) L’eau de mer contient aussi du lithium à faible concentration : Océans 230.000.000.000 t
  • 16. L’exploitation minière Par Shark sur Wikipedia lituanien — Transféré de lt.wikipedia à Commons par Hugo.arg utilisant CommonsHelper., Domaine public, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9924120
  • 17. L’explosion de la demande ● Les chinois prévoient d’installer de nouvelles capacités égales à 3,5 x la Gigafactory Tesla ● Ces capacités à elles seules consommeraient plus de 100.000 t de Li métal, soit plus de 500.000 t de carbonate de lithium minier par an ● Quelques dizaines d’années de réserves ● De quoi fabriquer 60.000.000 de voitures
  • 18. Sommes-nous condamnés ? ● 1 milliard de voitures dans le monde ● Des ressources limitées en lithium, cobalt, nickel
  • 19. Nouvelles pistes : le sodium ● Très courant : Na Cl ● 3 fois plus lourd ● 2 charges A l’état de prototype de taille standard Sera au point bien avant l’épuisement du lithium
  • 20. Nouvelles pistes : le recyclage ● L’économie circulaire est l’économie du futur ● 40 % du nickel commercialisé chaque année est recyclé ● Un quart du cobalt utilisé vient du recyclage ● L’aluminium avec le fer et l’acier, fait partie des métaux les plus recyclés car le coût énergétique du recyclage est équivalent à 5 % du coût énergétique de fabrication à partir de bauxite ● Le lithium peut être recyclé, mais ce n’est pas encore fait car la viabilité commerciale n’est pas assurée
  • 21.
  • 22. Comment garder ses batteries en bon état ?
  • 23. Sécurité des batteries au lithium un sujet … brûlant !
  • 24. Cause ● Une température trop élevée entraîne inévitablement sur la plupart des types de batterie Li-ion une divergence thermique explosive ● La chaleur accélère tous les processus de vieillissement et de défaillance ● L’électrolyte organique est combustible ● La cathode LiCoO2 libère de l’oxygène (comburant) en se décomposant
  • 25. Mécanismes ● Environnement chaud ● Surcharge, charge permanente ou inadaptée ● Court-circuit interne Samsung Galaxy Note 7 Copie d’iPhone
  • 26. Court-circuits internes ● Une batterie ne doit pas être chargée tant qu’elle est gelée (T < 0°C) car le lithium se dépose sous forme métallique sur l’anode en graphite ● L’anode gonfle en se chargeant, et pousse les dendrites contre le séparateur qui se perce rapidement ● Les surcharges entraînent aussi la formation de particules métalliques réduites à partir d’oxydes présent comme impuretés dans les matériaux réactifs ● Les surcharges favorisent la croissance de l’interface solide-électrolyte sur l’anode ● Cette SEI croît de manière irrégulière et au dessus d’une certaine épaisseur empêche les ions d’atteindre le graphite ● Ce mécanisme fait aussi croître des dendrites
  • 27. Vieillissement ● L’intercalation d’ions lithium crée des contraintes mécaniques ● Les feuillets de graphite s’écartent : gonflement de 8 à 10 % ● La cathode reprend des efforts internes importants mais change peu de volume ● Ces forces remodèlent les matériaux poreux et réduisent les surfaces électro-actives ● La résistance interne augmente ● La capacité diminue
  • 28. Destruction à froid Le simple fait d’appuyer sur une batterie souple peut endommager les électrodes en modifiant leur porosité Un accumulateur au lithium endommagé risque d’exploser tôt ou tard, au lieu de vieillir lentement.
  • 29. A ne JAMAIS faire ● Ne jouez pas avec des accumulateurs au lithium : ils contiennent beaucoup d’énergie et des matériaux combustibles ● Remplacez immédiatement ceux qui ont été endommagés et n’essayez pas de les recharger ● Ne laissez pas un appareil équipé d’une batterie au lithium dans une voiture en plein soleil : la température peut dépasser 70°C. Si vous avez de la chance la batterie sera endommagée, mais vous risquez de la faire exploser et de brûler la voiture avec ● Ne pas charger une batterie très froide : la plupart ne doivent pas être chargées à une température négative (consulter le manuel)
  • 30. A éviter pour les garder longtemps ● N’exposez pas les accumulateurs à une chaleur excessive (>30°C) : si vous avez chaud, ils ont trop chaud ● Ne les chargez pas s’ils sont trop chauds ou trop froids : attendez d’avoir stabilisé leur température à une valeur moyenne ● Ne les laissez pas connectés au chargeur lorsqu’ils sont chargés ● Si votre téléphone a une recharge rapide, ne le laissez pas branché toute la nuit ● N’attendez pas que la batterie soit vide pour la recharger ● Ne rechargez pas la batterie complètement si vous n’en avez pas besoin ● Ne laissez pas une batterie complètement déchargée car une tension trop faible peut provoquer des réactions électrochimiques indésirables et irréversibles
  • 31. Recommandations 1) Rechargez dès que possible et aussi souvent que possible, sans surcharger 2) Protégez vos appareils de la chaleur 3) Une fois par mois au plus, attendez que l’alarme de niveau bas batterie se déclenche et rechargez complètement votre batterie Cette procédure permet au logiciel de se recaler, afin qu’il vous laisse utiliser toute l’énergie contenue dans votre batterie 4) Faites-vous aider par une application
  • 32. Énergie & Batteries Y aura-t-il assez de lithium ? Quel rôle dans nos vies ? Comment la garder en bon état ? 3 parties de 15 minutes chacune suivies de 5 minutes de pause et de questions. Je commence par me présenter en 3 minutes.
  • 33. Montres Téléphones portables Clefs de voiture Prothèses auditives, pacemaker Casque ou oreillette Bluetooth Télécommande de porte de parking
  • 34. La vie sans batteries : cherchez l’intrus A B C 1 2 3
  • 35. Le système de réglage de l’exposition est électrique Le moteur pour faire avancer le film est en option
  • 36. ● L’électricité commence à être comprise et maîtrisée par l’humanité au XVIIIème siècle ● En 1799, au bout de 10 ans d’expérimentation sur le potentiel d’oxydoréduction des métaux, Volta met au point la première pile électrochimique, première source continue d’électricité ● Rapidement diffusée, elle accélère les travaux des physiciens du XIXème siècle Pile de Sir Humphry à la Royal Institution en 1802 La plus puissante du monde à son époque. La première lampe à incandescence et la première lampe à arc.
  • 37. Un peu de chimie ... ● Anode : Pb(s) + SO4 2- → PbSO4(s) + 2e- ● Cathode : PbO2(s) + 4H+ + SO4 2- + 2e- → PbSO4(s) + 2H2O 2e- H+ Anode en mousse de plomb Cathode en dioxyde de plomb Séparateur Solution aqueuse d’acide sulfurique Courant conventionnel SO4 2- SO4 2- SO4 2- SO4 2- SO4 2- SO4 2- SO4 2- SO4 2- SO4 2- SO4 2- SO4 2- SO4 2- Perte d’électrons = oxydation Gain d’électrons = réduction Dans le cas de la batterie au plomb, il se trouve que l’oxydation de l’anode en Pb et la réduction de la cathode en dioxyde de plomb donnent toutes deux du sulfate de plomb. Les électrons ne se déplacent pas directement dans la solution. Ils se combinent avec les ions H+ pour donner de l’eau. Les ions H+ sont les porteurs de charge qui se déplacent, comme les électrons de l’anode à la cathode. Comme leur charge électrique est opposée, ils complètent le circuit électrique.
  • 38. Fonctionnement d’un accumulateur au lithium Perte d’électrons = oxydation Gain d’électrons = réduction Dans le cas de la batterie au plomb, il se trouve que l’oxydation de l’anode en Pb et la réduction de la cathode en dioxyde de plomb donnent toutes deux du sulfate de plomb. Les électrons ne se déplacent pas directement dans la solution. Ils se combinent avec les ions H+ pour donner de l’eau. Les ions H+ sont les porteurs de charge qui se déplacent, comme les électrons de l’anode à la cathode. Comme leur charge électrique est opposée, ils complètent le circuit électrique.
  • 39. Fonctionnement d’un accumulateur au lithium e- Anode en graphite Cathode en oxyde métallique Séparateur Solution organique de sels de lithium Perte d’électrons = oxydation Gain d’électrons = réduction Li+ ● Le lithium est un petit atome ● Lorsque la batterie est chargée, il s’intercale entre des feuillets de graphite ● L’ion Li+ traverse le séparateur et vient s’intercaler dans un oxyde métallique LiC2 → Li+ + e- + 6C MnO2 + Li+ + e- → LiMnO2 L’ion lithium réagit avec l’eau pour former de l’hydroxyde de lithium, d’où l’électrolyte à base organique. L’anode peut être métallique : c’est la batterie lithium métal. Dans tous les cas, une faible fraction du lithium contenu dans la cathode fait l’aller-retour, sinon la cathode se désintègre.
  • 41. Comparaison de différentes technologies CAPA : condensateurs électriques SMES : superconducting magnetic storage
  • 42. Dans un futur lointain très « années 70 » Crédits : MGM L’homme au pistolet d’or - 1974 Hélium liquide Bobine supraconductrice Chaque marmite stocke l’équivalent en électricité d’une batterie de voiture, mais avec la capacité de se charger ou de se décharger en 10 secondes. Cette technologie est utilisée pour stabiliser certains réseaux électriques, mais elle est chère par rapport à d’autres solutions.
  • 43. 11,4 V 45 Wh = 162 kJ 18 Wh – 243 Wh/kg Formats, taille et structure des accumulateurs Li-ion
  • 44.
  • 45. Y aura-t-il assez de lithium ?
  • 46. Production d’accumulateurs au lithium Sir Michael Faraday 1 Faraday = 1 mole d’électrons 1 Faraday = 96485 C 1 Ah = 3600 C 5 Ah = 18000 C 6,941 g/mol7 Li (92,5%) et 6 Li (7,5%) 13900 C/g 1,29 g de lithium actif Environ 15 % du lithium participe à la réaction électrochimique 8,63 g de lithium 5 Ah x 3,7 V = 18,5 Wh En 2017 la production atteindra 66 GWh. Soit l’équivalent de 3,6 milliards d’accumulateurs du type représenté sur cette planche. Cela représente 31000 t de lithium métallique. Production mondiale : 2015 32500 t (hors USA) Réserves mondiales prouvées : 2016 14.000.000 t France 140.000 t (1%) L’eau de mer contient aussi du lithium à faible concentration : Océans 230.000.000.000 t La production est généralement chiffrée en équivalent de carbonate de lithium Li2CO3 qui contient 18,79 % de lithium. Au USA une nouvelle société Simbol Materials utilise les saumures des usines géothermiques comme source de lithium. La société prévoit d’extraire 16000 t/an de carbonate, soit environ 3000 t de lithium par an.
  • 47. L’exploitation minière Par Shark sur Wikipedia lituanien — Transféré de lt.wikipedia à Commons par Hugo.arg utilisant CommonsHelper., Domaine public, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9924120 Le lithium est facilement extrait des saumures qui se trouvent sous les salars. Sa concentration la plus élevée se trouve au Chili, dans le salar d’Atacama, et atteint 2700 ppm. Les minerais rocheux sont de moins en moins exploités car ils sont durs, et l’exploitation est coûteuse. La mine de Greenbushes en Australie reste une exception car c’est la plus forte concentration mondiale de lithium. On en extrait plusieurs dizaines de milliers de tonnes de lithium par an, essentiellement exporté vers la Chine.
  • 48. L’explosion de la demande ● Les chinois prévoient d’installer de nouvelles capacités égales à 3,5 x la Gigafactory Tesla ● Ces capacités à elles seules consommeraient plus de 100.000 t de Li métal, soit plus de 500.000 t de carbonate de lithium minier par an ● Quelques dizaines d’années de réserves ● De quoi fabriquer 60.000.000 de voitures Gigafactory Tesla 16000 t de Li Projet Northvolt en Suède 1 x Tesla Projets chinois 3,5 x Tesla Clairement pas soutenable à long terme. Permet de construire un parc de 60.000.000 de voitures, ce qui représente moins d’un an de production automobile (90 millions). Avec une durée de vie de 15 ans cela limite fortement la pénétration des voitures électriques sur le marché (environ 4%). Pas d’impact significatif sur les émissions de CO2. L’électrification au lithium devrait être réservée aux véhicules professionnels (ceux qui roulent beaucoup) et aux zone urbaines les plus polluées.
  • 49. Sommes-nous condamnés ? ● 1 milliard de voitures dans le monde ● Des ressources limitées en lithium, cobalt, nickel « Other land uses » inclut comme contributeurs principaux le méthane émis par les activités d’élevage et la déforestation. L’évolution de l’utilisation des sols par l’homme en Europe et aux USA a comme conséquence une absorption nette de CO2. La production d’électricité est un contributeur majeur (centrales à charbon chinoises). La Chine émet 30 % du CO2 mondial. Ce sont en grande partie des émissions déportées par les pays développés qui ont délocalisé leur production industrielle en Chine. Réserves mondiales : Nickel : 174 Mt (production annuelle 1,5 Mt) Cobalt : 7 Mt (production annuelle 120.000 t environ)
  • 50. Nouvelles pistes : le sodium ● Très courant : Na Cl ● 3 fois plus lourd ● 2 charges A l’état de prototype de taille standard Sera au point bien avant l’épuisement du lithium
  • 51. Nouvelles pistes : le recyclage ● L’économie circulaire est l’économie du futur ● 40 % du nickel commercialisé chaque année est recyclé ● Un quart du cobalt utilisé vient du recyclage ● L’aluminium avec le fer et l’acier, fait partie des métaux les plus recyclés car le coût énergétique du recyclage est équivalent à 5 % du coût énergétique de fabrication à partir de bauxite ● Le lithium peut être recyclé, mais ce n’est pas encore fait car la viabilité commerciale n’est pas assurée
  • 52.
  • 53. Comment garder ses batteries en bon état ?
  • 54. Sécurité des batteries au lithium un sujet … brûlant !
  • 55. Cause ● Une température trop élevée entraîne inévitablement sur la plupart des types de batterie Li-ion une divergence thermique explosive ● La chaleur accélère tous les processus de vieillissement et de défaillance ● L’électrolyte organique est combustible ● La cathode LiCoO2 libère de l’oxygène (comburant) en se décomposant
  • 56. Mécanismes ● Environnement chaud ● Surcharge, charge permanente ou inadaptée ● Court-circuit interne Samsung Galaxy Note 7 Copie d’iPhone
  • 57. Court-circuits internes ● Une batterie ne doit pas être chargée tant qu’elle est gelée (T < 0°C) car le lithium se dépose sous forme métallique sur l’anode en graphite ● L’anode gonfle en se chargeant, et pousse les dendrites contre le séparateur qui se perce rapidement ● Les surcharges entraînent aussi la formation de particules métalliques réduites à partir d’oxydes présent comme impuretés dans les matériaux réactifs ● Les surcharges favorisent la croissance de l’interface solide-électrolyte sur l’anode ● Cette SEI croît de manière irrégulière et au dessus d’une certaine épaisseur empêche les ions d’atteindre le graphite ● Ce mécanisme fait aussi croître des dendrites
  • 58. Vieillissement ● L’intercalation d’ions lithium crée des contraintes mécaniques ● Les feuillets de graphite s’écartent : gonflement de 8 à 10 % ● La cathode reprend des efforts internes importants mais change peu de volume ● Ces forces remodèlent les matériaux poreux et réduisent les surfaces électro-actives ● La résistance interne augmente ● La capacité diminue
  • 59. Destruction à froid Le simple fait d’appuyer sur une batterie souple peut endommager les électrodes en modifiant leur porosité Un accumulateur au lithium endommagé risque d’exploser tôt ou tard, au lieu de vieillir lentement.
  • 60. A ne JAMAIS faire ● Ne jouez pas avec des accumulateurs au lithium : ils contiennent beaucoup d’énergie et des matériaux combustibles ● Remplacez immédiatement ceux qui ont été endommagés et n’essayez pas de les recharger ● Ne laissez pas un appareil équipé d’une batterie au lithium dans une voiture en plein soleil : la température peut dépasser 70°C. Si vous avez de la chance la batterie sera endommagée, mais vous risquez de la faire exploser et de brûler la voiture avec ● Ne pas charger une batterie très froide : la plupart ne doivent pas être chargées à une température négative (consulter le manuel)
  • 61. A éviter pour les garder longtemps ● N’exposez pas les accumulateurs à une chaleur excessive (>30°C) : si vous avez chaud, ils ont trop chaud ● Ne les chargez pas s’ils sont trop chauds ou trop froids : attendez d’avoir stabilisé leur température à une valeur moyenne ● Ne les laissez pas connectés au chargeur lorsqu’ils sont chargés ● Si votre téléphone a une recharge rapide, ne le laissez pas branché toute la nuit ● N’attendez pas que la batterie soit vide pour la recharger ● Ne rechargez pas la batterie complètement si vous n’en avez pas besoin ● Ne laissez pas une batterie complètement déchargée car une tension trop faible peut provoquer des réactions électrochimiques indésirables et irréversibles
  • 62. Recommandations 1) Rechargez dès que possible et aussi souvent que possible, sans surcharger 2) Protégez vos appareils de la chaleur 3) Une fois par mois au plus, attendez que l’alarme de niveau bas batterie se déclenche et rechargez complètement votre batterie Cette procédure permet au logiciel de se recaler, afin qu’il vous laisse utiliser toute l’énergie contenue dans votre batterie 4) Faites-vous aider par une application