Soutenance mémoire
Dans le cadre de la lutte contre le réchauffement climatique (dû aux émissions de gaz à effet de serre d’origine anthropique [1]), il faut modifier la manière dont nous produisons et consommons l’énergie. Les propositions actuelles sont basées sur une électrification massive de nos modes de transports et sur une production dite «renouvelable » d’énergie. Cette transformation crée un besoin grandissant de technologies de stockage, pour lesquelles les batteries sont prépondérantes. La versatilité apportée par les différents matériaux d’électrode permet de les adapter à des applications très différentes.
Besoin de stockage grandissant
Depuis la première commercialisation de batteries Li-ion en 1991 [2], on a pu assister à une augmentation exponentielle de leur production. Elles ont rapidement supplanté les autres technologies de stockage telles que les accumulateurs NiMH ou NiCd. Les batteries au plomb étaient encore la technologie majoritaire grâce aux applications SLI (Starting, Lighting and Ignition, les batteries de démarrages des véhicules). Cette technologie est cependant dépassée en 2022 avec une production de batteries Li-ion de 500 GWh [3].
Depuis 2010, la production d’accumulateurs Li-ion a été multipliée par 20 et les prévisions récentes basées sur les annonces de création de dizaines de gigafactories (des usines produisant plus de 1GWh par an) partout dans le monde décrivent une évolution toujours aussi rapide vers une production annuelle de 2400 GWh en 2030 [4]. Cette production est nécessaire pour atteindre les objectifs européens et mondiaux de réduction des émissions de CO2. Par exemple, les transports sont responsables de 31 % des émissions de gaz à effet de serre en France en 2022 [5] et leur électrification permettrait de grandement réduire leurs émissions sur le long terme. On peut voir sur le graphe suivant les prédictions réalisées par Avicenne [3] sur la production globale de batteries entre 2020 et 2030 et la croissance écrasante des systèmes basés sur le lithium.
Applications automobiles
Le domaine des transports fait partie des plus gros producteurs de gaz à effet de serre, notamment de CO2 et la solution de décarbonation actuellement apportée par les constructeurs passe par l’emploi de batteries. On a pu observer dans les dernières années une augmentation très importante du nombre de véhicules électriques produits, notamment en Chine et cette tendance est amenée à se poursuivre dans les années à venir .
Stockage des énergies renouvelables
Les énergies renouvelables sont une autre des pièces maitresses de la transition énergétique. Les principaux moyens de productions sont l’hydroélectricité, le solaire et l’éolien. Le stockage de l’énergie hydroélectrique est en général réalisé via des barrages, dont on peut jouer sur les niveaux d’eau. Leur production est aussi régulée de cette manière. Les autres énergies sont par nature intermittentes, c’est-à-dire qu’il est impossible d’obtenir une production continue. Le solaire est par exemple limité à une production diurne, avec des variations dépendant de la situation météorologique et du climat. Or, la consommation ne suit pas le même schéma. L’utilisation de batteries pour réaliser le transfert des moments de productions aux moments de consommation est une des solutions à cette problématique (on parle alors d’Energy Shifting). Les batteries commencent à être utilisées pour ces applications partout dans le monde [9] mais restent encore chères comparativement aux coûts de production. D’autres méthodes, telle que la production d’hydrogène via hydrolyse avec le surplus d’énergie instantanée, sont possibles à condition de résoudre les problèmes de stockage de l’hydrogène produit et de rendement de la chaine de conversion. Le stockage d’énergie sur les réseaux électriques futurs sera probablement constitué d’une hybridation de ces systèmes. Sur les 2400 GWh de production de batteries mondiales en 2030, environ 7 % à 10 % sont prévus d’être utilisées par les ESS (Energy Storage Systems) [3].
Les appareils électroniques, actuellement le premier marché d’utilisation des cellules Li-ion, ne représenteraient plus que 3 % de leur utilisation dès 2030. De nombreuses recherches [10] [11] [12] se focalisent aujourd’hui sur les moyens d’utiliser les batteries présentes dans les voitures (qui ne roulent pas 90% du temps) afin de stocker les énergies renouvelables. On appelle ces méthodes “Vehicle to Grid”, “Vehicle to Home”, “Vehicle to Building” ou encore “Vehicle to Load”. Cette mutualisation permettrait de mettre à profit les batteries dormant dans les voitures sur le parking ou dans les garages afin de réduire le besoin d’installations spécifiques pour le stockage des énergies renouvelables et ainsi limiter la production nécessaire de batteries et le minage de matières premières.
Evolution du prix des cellules
Depuis leur invention et surtout l’industrialisation de masse des batteries, leur prix a chuté rapidement. On trouve aujourd’hui des batteries autour de 100 $/kWh. Les usines de cellules sont hautement automatisées et la qualité de production a grandement augmenté permettant de réduire les coûts de production drastiquement et d’optimiser les processus de fabrication. Cependant, le prix des batteries qui baissait continuellement d’année en année est pour la première fois en hausse en 2022. En effet, la production de masse a entrainé une augmentation du prix des matières premières. De plus, le contexte actuel de hausse globale des prix de l’énergie a contribué à cette remontée, la production de batteries étant fortement énergivore.
Le prix des voitures électriques étant déjà pour plusieurs un frein à leur adoption, la tendance d‘évolution du prix des batteries (elle représente une grande partie du prix du véhicule) ne va pas aider leur prolifération, sur laquelle se base l’atteinte des objectifs gouvernementaux.
Ecosystème des batteries en Europe
Les batteries Li-ion sont en plein essor et leur production va augmenter grandement dans les prochaines années. En Europe, de nombreux acteurs du marché s’organisent pour implanter des gigafactories.
La création d’une usine de ce type nécessite des investissements qui se chiffrent en centaines de millions d’euros et plus d’une dizaine de projets sont aujourd’hui annoncés, avec des usines ayant pour objectif une production moyenne de 40 GWh/an d’ici 2030 pour un total d’environ 600 GWh sur le sol européen.
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Table des matières
Introduction
I. Besoin de stockage grandissant
II. Applications automobiles
III. Stockage des énergies renouvelables
IV. Evolution du prix des cellules
V. Ecosystème des batteries en Europe
VI. Conclusions
Chapitre 1 : Etat de l’art
I. Introduction
II. La technologie lithium-ion
1 Composition et comportement des cellules
2 Sécurité des cellules Li-ion
3 Limites du Li-ion
III. Modes de dégradation des cellules Li-ion
1 Formation et évolution de la couche de SEI
2 Lithium plating
3 Autres dégradations
4 Résumé des mécanismes de
IV. Essais de vieillissement et modélisation
1 Essais de vieillissement
2 Essais de caractérisation
3 Modélisation du vieillissement
V. Conclusions
Chapitre 2 : Plans d’expériences et données utilisées
I. Introduction
II. Théorie des plans d’expériences et application
1 Invention et généralités
2 Plans optimaux
3 Plan d’expérience de la campagne MOBICUS
III. Méthodes d’essais et résultats
1 Méthodologie des essais
2 Résultats de vieillissement calendaire et cyclage sur la cellule LG
3 Essais de validation
IV. Conclusions
Chapitre 3 : Modélisation du vieillissement des cellules lithium-ion
I. Introduction
II. Approche de modélisation
1 Hypothèses générales
2 Réaction d’insertion et potentiel de l’électrode négative
3 Mécanisme de formation et dissolution de la couche de SEI
4 Cinétique de réactions à l’équilibre (circuit ouvert)
5 Cinétique de réaction hors équilibre : surtension et délaminage
6 Dégradation de l’électrode positive
7 Dégradation de l’électrolyte
8 Evolution de la résistance
III. Application à la campagne de MOBICUS
1 Conditions calendaires
2 Conditions en cyclage
3 Essais de validation
IV. Conclusions
Chapitre 4 : Modélisation stochastique des incertitudes
I. Introduction
II. Sources d’incertitudes
1 Propres aux essais
2 Modélisation
III. Méthode de Monte—Carlo avec échantillonnage préférentiel
1 Principe
2 Fonctions de pondération ??
3 Fonctions d’évaluation ?
4 Schéma de fonctionnement
IV. Application de la méthode à la base de données LG de MOBICUS
1 Moyenne et Variance
2 Remaining Useful Life
3 Evolution des distributions
V. Influence du plan d’expérience
1 Nombre d’essais diminués
2 Réduction du temps d’essai
3 Réduction du nombre d’essais
VI. Méthode de recalage
1 Source du besoin
2 Principe
3 Résultats
VII.Conclusions
Chapitre 5 : Algorithme de sélection des essais
Conclusion
