Mathieu MORCRETTE

Ingénieur de Recherche CNRS

Directeur du Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides

Sébastien CAVALAGLIO

Responsable de l’unité de prototypage du RS2E CNRS

Mathieu Morcrette

Mathieu.morcrette@u-picardie.fr

06 20 64 28 79

Nous consommons les énergies fossiles ~ 3 millions de fois plus vite qu’elles sont naturellement produites

« Avenir » des Energies Non Renouvelables

(Larcher/Tarascon, 2014)

L’âge de pierre ne s’est pas arrêté parce qu’il n‘y avait plus de pierre

Énergies renouvelables

Difficulté: Convertir et stoker l’énergie renouvelable

à grande échelle et de façon rentable

Pourra t-on le faire dans le temps qui nous est imparti ?

Les Alternatives

Renewable EnergiesRenewable EnergiesRenewable Energies

La Mobilité Electrique

Source D./ Larcher LRCS/UPJV

Augmentation des projets de stockage électrochimique.dans les pays où les réseaux électriques sont faibles ou peu d’accès à l’énergie

Le Stockage de l’Energie Stationnaire

Zoe 1 : 22 kWh / 290 kg = 75 Wh/kg

Zoe 2 : 41 kWh / 305 kg = 134 Wh/kg

X 1.8 densité d’énergie massique et volumique

240 Wh/kgDurée de vie : 3 ans

La Mobilité Electrique

170 km (été)

300 km (été)

CHIFFRES CLES (source : Avicenne Energy)

La quantité de batterie installée (en MWh) en 2015 = 2010 x 2

> La batterie Plomb représente 90% de l’énergie installée en 2015 mais problèmes écologiques etperformances limitées

> Les batteries Li-ion (1991) représentent 38% (en valeur) du marché des batteries en 2015 (25 milliards de $)

> Le Li-ion est en forte croissance + priorité recherche/industrie

Le Marché Des Batteries

LA FRANCE PIONNIÈRE EN RECHERCHE…

• Solide tradition avec l’école de chimie du solide française (Rouxel, Figlarz, Delmas…)• Découverte et utilisation du LFP (Armand et Masquelier)• Batterie plastique (Tarascon)• Electrode de graphite (Nancy, Grenoble)

… MOINS EN INDUSTRIE

• la France a raté le coche de l’industrialisation (99% des batteries Li-ion sont produites en Asie).• nos deux industriels majeurs Saft (Bordeaux) et BlueSolutions (Bretagne) produisent des batteries « de niche »

MAIS LES ESPOIRS SONT PERMIS…

• Rachat de Saft par Total en juillet 2016 (1 milliard d’€) avec la volonté d’en faire un acteur de premier plan du marché des batteries actuelles et futures (projection marché 2025 : 140 milliard de $)

• Réseau RS2E rapprochant laboratoires CNRS/Universités et industriels pour accélérer le transfert technologique (ex: batterie sodium-ion)

Quid de la France

Et après ?

Au-delà de 2020/2025, les industriels poussent la recherche en anticipant un shift

vers de nouvelles technologies très prometteuses …

La France est-elle encore

dans la course ?

Organisation de la Recherche en France :

LE RS2E

OBJECTIFS

• Résoudre les blocages scientifiques et technologiques des systèmes de

stockage électrochimiques (batteries,

supercondensateurs) pour

applications mobiles et stationnaires

• Développer l’expertise française dans

le domaine

• Améliorer le transfert de technologie

de la recherche vers l’industrie

RS2E = RÉSEAU SUR LE

STOCKAGE ELECTROCHIMIQUE DE

L’ENERGIE

18 INDUSTRIELS

3 ORGANISMES DE

RECHERCHE

TECHNOLOGIQUE

17 LABORATOIRES

CNRS/UNIVERSITE

LA FORCE DE FRAPPE FRANCAISE:

AMIENS AU COEUR D’UN RESEAU D’EXPERTS

AU CŒUR DU RS2E : LE LRCS à AMIENS

Réseau initié à partir du LRCS

Cœur administratif actuel du RS2E et siège de son quartier général

Politique de ville et soutien régional fort

Equipe française la plus importante dédiée aux batteries (90 personnes)

Volonté d’industrialiser ici la future batterie

LE HUB : Un outil fantastique

Un outil de pointe à la hauteur des concurrents allemands et américains

Equipements de transferts uniques en France (production de batterie proto au format industriel 18650)

Un endroit tourné vers la connexion : accueil facilité des industriel et chercheurs

1> 1968 : Création Laboratoire de Réactivité et de Chimie des Solides (LRCS)(travaux sur batteries au Plomb)

2> 1994 : Jean-Marie Tarascon prend la direction et intègre la dimension Electrochimie

3> depuis 2008 : Mathieu Morcrette dirige le LRCS. Répondre

aux défis de la transition énergétique et développement

des activités de prototypage…

AMIENS ET LA CHIMIE

Juin 2000Dynamique de croissance forte 65 pers en 2011, 110 en 2019

100 % d’augmentation en 8 ans

« Je vous dirai, en outre, que les

piles au sodium doivent être

considérées comme les plus

énergiques, et que leur force

électromotrice est double de celle des piles au zinc. »

Capitaine Némo

NOS AXES DE TRAVAIL

Batteries moins chères

Utilisation d’éléments abondants (Al vs. Co, Fe…)

Meilleure densité d’énergie(autonomie)

Meilleure recyclabilité (batterie organique)

Voies de production moinsénergivore des matériaux

Sécurité améliorée

…

AXES DE RECHERCHE ET AVANCEES:DE LA RECHERCHE AU PROTOTYPE

NOS AVANCÉES

Mise en place d’une ligne de prototypage unique en France

Méthode d’analyse de batteries en fonctionnement

Nouvelles technologies de batteries (Li/S, Li-air, Redox Flow, microbatteries3D)

Prototype de nouvelle batterie Na-ion

…

PrototypageUpscaling

Labo1g

201530g

2016300g

2017850g

20185kg

Les plateformes de Pré-transfert du RS2E

Choix d’une technologie : de nombreux

paramètres à pondérer selon l’application

Durées de vie

Densités E/P volumiques

(Wh/L, W/L)

et massiques (Wh/kg, W/L)

Accès aux Matières Premières

Recyclage

Coûts

Energétique/CO2

Coût

Sécurité

Température de

fonctionnement

Puissance en Charge /

Décharge

(W/L, W/kg)

La Technologie Li-ion : de nombreux matériaux

V

Electrolyte

non aqueux

CathodeAnode

Li+

Li+

-

a

Li4Ti5O12

1.5 V

LixSiy

0.4 V

LixC6 0.2 V

LiMn2O4

3.9 VLiCoO2

4.2 V

+

LiFePO4 3.45 V

LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCA)

LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 (NMC)

NMC 532, 622, 532

Puissance

2 à 10 kW / kg

240 Wh/kg

700 Wh/L

Energie

Composite Si/C

Technology LFP // Graphite 76 kWh

1020 kg of batteries 74 Wh/kg

Charge en 6 mn (4 C)

Technology LFP // Li metal bolloré

240 kWh de batterie, 180-250 km d’autonomie

90 à 150 kWh Charge rapide et/ou lente

Technology NMC//LTO

LFP // Graphite

324 kWh

Technologies vs usages

Positionnement du projetLe Na-ion : pourquoi sa résurrection ???

Incertitudes sur les réserves de Li + problèmes géopolitiques

Aller dans le sens du développement durable

Plus grande disponibilité des précurseurs

Coût moindre

● Pros and cons

Sodium ne réagit pas avec Al

+

- Potentiel Redox vs. NHE

Masse molaire plus élevée

Besoin de "Benchmarker" la technologie Na-ion vs. Li-ion

Lancement du projet au sein d’ALISTORE en 2011 par une thèse

Dynamisation des recherches au sein du RS2E en 2012

Résultats intéressants et prometteurs

Lancement en juillet 2013 via une "task force" RS2E-CEA

2015: Asssemblage du 1er prototype Na-Ion 18650 au

monde

Le projet et son histoire

La technologie Na-ion: Une recherche effrénée vers de nouveaux matériaux

CVV

2015CVV

CVV

20101980

D. Larcher and J.M. Tarascon, Nature Chemistry 7, 19–29 (2015))

30 years 5 years

Na2Fe2(SO4)3

Polyanioniccompounds

Layeredcompounds

Carbons

Na3V2(PO4)2F3/ NaPF6 / C Na0.7Fe0.5Mn0.5O2 / NaPF6 / C

Polyanionic compounds Layered compounds

Les prototypes18650 Na3V2(PO4)2F3/C:Performances en cyclage, puissance, et sécurité

Tests abusifs sur accumulateurs Na-ion

• Surcharge• Court-circuit externe• Test au clou

Chimie stablePas d’emballement thermique

Sécurité OK

Cyclabilité

GEN1 : 1400 cycles @ CGEN2 : > 4000 cycles @ C (en cours)

4000 cycles

Puissance

75% capacité restituée @ 100 C

2.5kW W/Kg

Coupure: 2.3V

40 Amps

(SCIB …)

Avant nous nous serions arrêté là….

Et bien d’autres histoires à Inventer

Environmental footprint

Lower energy synthesis

New Materials

P. Poizot, F. Dolhem, Energy & Environ. Sci. 4, 2003 (2011)

22

0

0.5

1.5

1.0

2.5

3.5

4.5

2.0

3.0

4.0

50 65 80 95 110 125 140 155 170 185 200 215 230 245Capacity / mAh.g-1

Po

ten

tia

l(V

) v

s.

Li+

/Li0

120 mAh/g2.85 V

210 mAh/g2.6 V

160 mAh/g2.95 V

140 mAh/g2.4 V

132 mAh/g2.22 V

234 mAh/g0.9 V210 mAh/g

0.85 V

170 mAh/g1.2 V

170 mAh/g0.65 V

130 mAh/g3.5 Vcv

80 mAh/g3.1 V

60 mAh/g4.1 V 250 mAh/g

3.5 V107 mAh/g

3.55 V

112 mAh/g3.6 V

120 mAh/g2-4 V

120 mAh/g1.22 V

220 mAh/g3.4 V

200 mAh/g3.5 V

O

O

LiO

OLi

0.72 V

220 mA.h.g-1

Organic-based materials for energy storage

Industrial partners, networks, EU projects