Les batteries électriques pour les camions et bus électriques Etat de l'art, perspectives et interrogations

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1 Les batteries électriques pour les camions et bus électriques Etat de l'art, perspectives et interrogations L Ion Rallye 2012 : Camions et Bus électriques - Le transport branché Lyon 30/11/2012 Serge PELISSIER Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

2 Mais que reproche-t-on aux batteries? Prix élévé Densité d énergie faible poids «mort» autonomie limitée Durée de vie trop courte et incertaine Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

3 Spécificité des batteries «poids lourds»? Mêmes technologies/chimies de batteries lithium pour bus, camion ou voiture Dimensionnement adapté plus lourdes plus chères plus dangereuses (?) Contraintes spécifiques : durée de vie plus longue attendue reproductibilité du trajet pas d effet «week-end» ou «vacances» Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

4 Quelle quantité d énergie dans une batterie? Rappel : Wh/kg pour l essence (mais rendement de 0.3!!!! ) Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

5 Suprématie du lithium-ion : énergie et puissance Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

6 Japan Fine Ceramics Center (JFCC), Electrode positive : oxyde de lithium Li M O 2 Oxydes de Cobalt, Manganèse, Nickel, Fer-Phosphate, Vanadium Electrode négative : Au cœur d une batterie Lithium ion Carbone ou Graphite lithié (LiC 6 ), Titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) - e - + Li + Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

7 Les pistes d améliorations du lithium Nouveaux matériaux : Li - Si, Li - S, Li - air tension et capacité Ah (théorique) technologies non matures Structuration des matériaux capacité de stockage durée de vie puissance prix Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

8 Nano-structuration des matériaux La nano-structuration des matériaux facilite l insertion des ions Lithium et réduit les contraintes mécaniques. Titanate nano-structuré : même volume surface x 30 Source : Altairnano Source : A. Magasinski, et Alt. Nature Materials, Vol. 9 (2010) Source : Lockheed Martin and Rice University Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

9 Nano-structuration des matériaux Des nano-tubes de Silicium peuvent insérer 10 fois plus d ions Lithium qu un matériau massif Non chargé Chargé Source : L. Bazin Source : Yi Cui Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

10 Des électrodes en graphène Graphène : feuille mono-couche d atome de carbone Découvert en 2004 par A. Geim et K. Novoselov (Prix Nobel 2010) Zinc Source : Lawrence Berkeley National Laboratory Densité énergétique atteinte en laboratoire : 500 Wh/kg (actuellement Lithium-ion < 200 Wh/kg) Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

11 L avenir radieux des batteries au lithium? Li-Air Li-Sulfure Li-Fluorine Rappel : Wh/kg pour l essence (mais rendement de 0.3!!!! ) Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

12 Les batteries Lithium-air Electrode négative en lithium métal Source MIT Deux technologies d électrolyte : - anhydre - aqueux Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

13 Densité d énergie: retour sur terre Wh/kg pour l essence, avec 0.3 de rendement Wh/kg à la roue Wh/kg pour Lithium-air = densité théorique (théorique = «quasi inaccessible») Densité «pratique» du Lithium-air < 3000 Wh/kg? < 500 Wh/kg? (compromis durée de vie, énergie, puissance, réversibilité,.) Densité d un élément densité d un système boitier, surveillance électronique, refroidissement, % de poids Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

14 Na-NiCl 2 : les batteries «chaudes» au sodium NiCl Na 2 Na Cl + Ni Temp. interne 300 C (enceinte adiabatique) 120 Wh/kg 180 W/kg Autodécharge 10% / jour Peu de constructeurs MES Dea : ZEBRA GE : Durathon ZEBRA = Zeolite Battery Research Africa Techniques de l ingénieur Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

15 Le Sodium challenger du Lithium? Abondant, non toxique, bon marché Pacific Northwest National Laboratory 150 C Sumitomo Electric et Kyoto University 57 C. Batterie au sodium-ion 760 Wh/kg and 1200 W/kg Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

16 Batterie organique : LiC 6 O 6 : une batterie «Bio»? Encore beaucoup de travail pour aboutir à une batterie viable!!! Source : JM TARASCON - Li-ion Batteries: Recent advances and future trends Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

17 Un virus au secours des batteries? Synthèse de nano-structures par procédé biologique à base de virus Source : Massachusetts Institute of Technology (MIT) and the Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

18 En conclusion des technologies en pleine évolution et Des contraintes spécifiques «avantageuses» Trajets dans un périmètre limité Trajets répétitifs Pas d effet «week-end» ou «vacances» Concentration des véhicules Possibilité de recharges «rapides» et d échange de batteries Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

19 Recharge rapide! Une batterie lithium-ion se charge classiquement en 1h30 (en partant de «zéro») Une recharge en 6 8 h est imposée par le réseau (prise domestique de 3 kw) Une borne de recharge rapide «publique» crée un appel de puissance difficile à gérer (22 ou 44 kw) Une flotte de véhicule, avec un ou des point(s) de recharge rapide localisé(s) se gère plus facilement Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

20 Echange de batteries! L échange de batterie suppose une «normalisation» des batteries (un rêve.) Une batterie stockée chargée peut vieillir prématurément Une solution peut adaptée au public dans un pays étendu comme la France bien adaptée à une flotte de véhicules, identiques, concentrés dans un périmètre limité Mercedes 1972 Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

21 Et pour finir! Les véhicules électriques ne sont pas propres par nature : la production de l électricité doit être «propre» une Analyse du Cycle de Vie (ACV) est nécessaire pour tenir compte des phases de construction et de recyclage des batteries Une nécessité : Repenser la mobilité des personnes et des marchandises ( urgence climatique + effet rebond ) Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre

22 Merci de votre attention Ifsttar - site de Bron - LTE Laboratoire Transports et Environnement Serge.pelissier@ifsttar.fr Serge Pelissier Ion rallye 30 novembre