CNRS & Acadmie des Technologies :La Recherche au cur de la transition nergtique
1er colloque Energie
Stockage lectrochimique de lnergie : Un problme de matriaux
Jean-Marie TARASCONLaboratoire de ractivit et de chimie des Solides (Amiens)
+ coordinateur du RS2E
Combustiblesfossiles
Millionsdannes
95 MBa/jour
14 TW
28 TW
Le contexte nergtique aujourdhui
Consommation
Dcouverte
Dcouvertes prvuesannes
Stockage de lnergie:un autre dfi du 21me sicle
Pour favoriser le dveloppement
de vhicules lectriques
lectrique
BatteriesChimique lectrique
Vent Soleil Mares
Pour mieux grer les ressources en nergies
renouvelables de notre plante
Amliorer-inventer de nouvelles technologies de stockage
MWh kWh
Applications rseau
Applications transport
V
lectrolytenon aqueux
Cathode Anode
Li+
Li+
-
ac
TiO2(B) 1.8 V
Li4Ti5O121.5 V
LixSiy0.4 V
LixC6 0.2 V
La technologie ions Li:Une technologie trs versatile
LiMn2O44.2- 5 V
LiCoO2 4.2 V
LiFeSO4F3.6 V
Li2FeSiO4 3.0 V
+
LiFePO4 3.45 V
NMC
210 Wh/kg625 Wh/l
Puissance 2 to 10kW / kg
Li-ion a conquis le marchdu portable ..
La technologie Li-ion: Un march tendu et diversifi
2 MW stockage Li-ion
VEs pack186505-10Wh 30-100kWh
Quen est-il des VEs et des applicationsrseaux ???
Quels sont les challenges restants?
March conomiquement lucratif
Dfis actuels de La Technologie Li-ionvis--vis des vhicules lectriques
Cot
Energie
Puissance
Scurit
Matriaux/procds ayant uneempreinte environnementale minimale
Matriaux plus performants et moins coteux
500 /kWh
130Wh/kg
/ 2 x2Cot Energiex2
*Source:Nedo (2009)
500 /kWh
130Wh/kg
/ 2 x2Cot Energiex2
*Source:Nedo (2009)
Autonomie160 km
320 km
Assemblage de la batterie aujourdhui
Fabrication dune batterie de 1kWh Energie ncessaire 387 kWh CO2 rejet 110 kg
Besoin de fabriquer des batteries Li-ion plus viables et plus cologiques
Approche idale
Comment latteindre???
Travailler au niveau de la synthse du matriau
Explorer les lectrodes organiques Chercher la chimie post-Li
Les besoins et les dfis de demain:Dvelopper des batteries Li-ion viablesVIABILITE
Basses tempratures conomie datomes
Procdcramique ProcdHydrothermal Procd
Ionothermal Procdbio- minral
ProcdSolvothermal
Vers une conomie dnergie et datomespour la prparation de LiFePO4
700C 120C 200C 60C
Ractions en solution
Ractions ltat solide
180C
Vers une laboration co-efficace des matriaux dlectrodes: quelques tendances
Retour la chimie du vivant
Dvelopper des approches de synthse bio-assiste, bio-inspire ou bio-mimtique pour: laborer des matriaux dlectrode inorganique
1)
2)
Intrt des molcules de type quinone
Connecte la biomasse
Alternative organique lapproche minrale pour la conception de matriaux dlectrodes
Peut-on augmenter la densit dnergietout en gardant laspect compatibilit???
Ptrole + air 2500Wh/kg
Batterie 150Wh/kg
A factor 15 gap
Quelles sont les chimies prtendantes???
Comment rduire le gap entre essence et batterie ???
35823.2Li/air (aqueous)2Li + O2 + H2O = 2LiOH
35053.0Li/air (non-aqueous)2Li + O2 = Li2O2
25672.2Li/S 2Li + S = Li2S
10861.65Zn/airZn + O2 = ZnO
3873.8Todays Li-ionC6Li + Li0.5CoO2 = 3C + LiCoO2
Theoretical Specific Energy
Wh kg-1
CellVoltageV (volts)Battery
35823.2Li/air (aqueous)2Li + O2 + H2O = 2LiOH
35053.0Li/air (non-aqueous)2Li + O2 = Li2O2
25672.2Li/S 2Li + S = Li2S
10861.65Zn/airZn + O2 = ZnO
3873.8Todays Li-ionC6Li + Li0.5CoO2 = 3C + LiCoO2
Theoretical Specific Energy
Wh kg-1
CellVoltageV (volts)Battery
Performances des systmes mtal air et Li-S par rapport Li-ion
Batterie PotentielEnergie densit
Thorique
Bruce PG, Freunberger SA, Hardwick LJ, Tarascon JM, Nature Materials, 11, 19-29, 2012.
De nombreux verrous technologiques restent lever: La route sera longue avant davoir des batteries Li-air commerciales
Problme concernant les ressources en Li
Sea waterSea water
Eau de mer0.2 ppm
Estimation: 13 M de tonnes
Minraux Salin:
Recherche dalternatives:
Ressources en Li
Besoins en Li production annuelle: 0.16 M de tonnes de Li2CO3
~ 0.5 kg de Li2CO3 par kWh de batterie 80 100 ans de rserves
Promouvoir le recyclage
Utilisation deMines urbaines
Recherche dalternatives :
Chimie durecyclage
essentielle
Autres chimies Quy a t-il
au del du Li-ion???
Dfi:Li1s22s1
Lithium
6.9413
0.534180.50.98 Na
2s23s1Sodium
23.94111
0.97980.9 Li1s22s1
Lithium
6.9413
0.534180.50.98 Na
2s23s1Sodium
23.94111
0.97980.9
Dvelopper des batteries Na-ion temprature ambiante
Dfi:
Batteries Li/air
-Na+
+--Na+Na+
++
Batteries inorganiquestout solides
Batteries Na-S hautes tempratures
Nouvelles chimies au del du Li :
Redox-flow
Batteries Li/S Batteries ions Na
Comment se positionner sur toutes ces technologies ???
Rseau sur le Stockage Electrochimique de LEnergie (RS2E)
Partenaires IndustrielsPartenaires Industriels
Gouvernance
Centre de Recherche Technologique et dintgration
CEA (Pilote)CNRS, IFP, INERIS, LCPC/INRETS, Universits
Plate-forme de Caractrisation Plate-forme de passage lchelle Pr -industrialisation S curit
- Plate-forme STEEVE - Plate-forme Satory MOVEO DEGE - Intgration vhicules IFP Lyon - Plate-forme INES
Centre de Recherche Amont
CNRS (Pilote)Laboratoires ( CNRS -Universits)LRCS Amiens CIRIMAT ToulouseICG Montpellier ICMCB BordeauxIMN Nantes IPREM ECP PauProvence Marseille
Cellules de pr -transfert (EPICs )Pr -Prototypage, Matriaux, Scurit , Modlisation
CRA CRTI
CI
Cr le 2 Juillet 2010 par Mme la ministre V. Pcresse
Maillons ncessaires pour lintgration rapide en un produit fini.Intgrer,fdrer, rassembler, rapprocher pour mieux innover et dvelopper
Le RS2E
CRA CI
CRTI
Les acteurs du Rseau sur le Stockage Electrochimique de LEnergie
(10) (14)
(3)
Synthse eco-efficace
Biomimtique,biomineralization))
Electrodes renouvelables,
redox organiques,
ACV-recyclage
Couplage faradique
/ photovoltaque
faradique /thermolectrique
Microbatteries3D
Micro SC
Li-ion avanc
Stockage capacitif
Stockage co-compatible
Matriauxintelligents
Nouvelles chimies
Matriaux nano-structurs pseudo
capacitifs
CarbonesNanostructurs
Synthses templates
Li-air,Li-SNa-ion
Na-SRedox Flows
Batterie tout solidePolymre/
inorganique
Matriauxavancs
d lectrodes Techniques
denrobage Nouveaux
lectrolytes /sels/polymres
Formulationdlectrode
5 thmatiques
de recherche
3 axes transversaux
Matriaux Compatibilits: Vieillissement , additifs,
stabilit thermiqueet lectrochimique
Thorie:Approches combinatoires,
transport limitations, modlisation systmes
InstrumentationTechniques in situ
(XRD, HRTEM, HREELS,, accs Grands instruments)
4Cellules de
Pr-transfertPrototypage
Batteries /et supercond.
(coordonn par le CEA)
Scurit des
Batteries(coordonne par
LINERIS)
Modlisation comportementale
des batteries(coordonne
Par lIFP)
Pr-transfert matriaux (synthses
< 1kg)
CRA
Projet scientifique du (RS2E)
150-200 chercheurs
Rsoudre les questions de stockage dnergie est un problme mondial
Trouver des moyens/infrastructures au niveau mondial pour partager des informations sur les thmes de lnergie
Les pays/continents veulent crer leur propre programme,construire leur propre institut sur lnergie
Conclusions: Au-del la Science
Nous construisons trop de murs et pas assez de ponts"Isaac Newton (1642-1727))
MERCI POUR VOTRE ATTENTION
ALISTORE
LiLi
LRCS
Remerciements
RS2E
