Le Japon conforte sa place de numéro un mondial des batteries électriques en plaçant la R&D sur les accumulateurs lithium-ion au coeur de sa stratégie. Un atout majeur pour l'électronique portable ou les véhicules électriques et hybrides.
Cet article a été préparé par Michel Colrat, à partir de la dépêche "Les accumulateurs lithium-ion au Japon" réalisée par Olivier Lazzari, du service pour la Science et la Technologie de l'ambassade de France au Japon, que nous remercions pour sa collaboration.
Télécharger ce rapport en version pdf (gratuit)>>
Focus :
Les principales applications haut de gamme :
- la sécurité (systèmes de détection, de reconnaissance et de surveillance) ;
- le militaire (moyens de communication, imagerie thermique et vision de nuit, systèmes de visée) ;
- le spatial (batteries de satellites, robots et sondes spatiales) ;
- la médecine (défibrillateurs et moniteurs portables).
Pour recevoir les prochaines parutions, abonnez-vous à "Technologies Internationales" :
Le besoin croissant de mobilité, qui induit des exigences accrues sur les systèmes de stockage d'électricité en termes de puissance, de capacité, de densité énergétique, de rapidité de charge, de tenue de la charge dans le temps, de longévité, de fiabilité -récemment illustré avec le rappel de millions de batteries d'ordinateurs portables défectueuses- stimulent la recherche et le développement d'accumulateurs plus efficaces et capable de satisfaire au mieux l'ensemble des contraintes de services.
Le marché actuel des accumulateurs rechargeables est segmenté en trois technologies majeures selon les porteurs de charges mis en jeu : nickel-cadmium (NiCd), nickel-hydrure métallique (NiMH) et lithium-ion (Li-Ion). Les batteries au plomb ne détiennent quasi plus aucun marché, en dehors de l'automobile. En revanche, les ventes de batteries au lithium-ion, les plus récentes, sont en plein essor au Japon comme dans le reste du monde, avec une progression à deux chiffres (+ 25% en 2005 pour le Japon).
Le lithium-ion s'est ainsi imposé en quelques années seulement comme la technologie de référence dans le domaine du stockage d'énergie électrique, jusqu'à occuper en 2005 la moitié des parts de marché dans l'archipel. Trois compagnies japonaises (Sanyo, Matsushita et Sony) et deux coréennes (LG et Samsung) se partagent à elles seules plus de 95% des ventes de batteries au lithium-ion.
Le Japon, peu présent dans la production de batteries il y a vingt ans, est devenu le numéro un mondial grâce à un effort de recherche sans précédent. Fort de ce succès, il investit encore massivement dans le développement des accumulateurs du futur, avec une volonté déterminée de maintenir son rang dans les applications grand public et de se placer dans les futures applications de masse (transport, approvisionnement) ou dans les secteurs d'applications haut de gamme tels que ceux de la sécurité, de l'aéronautique, du spatial, de la médecine ou encore de l'équipement militaire.
Un matériau de choix
Selon la définition d'une batterie rechargeable - système de conversion de l'énergie chimique en énergie électrique par une réaction d'oxydoréduction réversible - c'est le couple d'oxydo-réduction qui va guider le choix des matériaux composant les électrodes et l'électrolyte, et déterminer les performances ainsi que la tension délivrée par l'accumulateur. Le lithium, le plus réducteur des métaux, dispose ainsi d'un potentiel inégalable. De plus, sa faible densité (0,53) le positionne fort bien sur le plan de l'allègement, un facteur déjà intéressant pour les applications portables personnelles, qui devient encore plus important pour les applications dans les transports, et qui constitue même un enjeu capital pour les applications aéronautiques et spatiales.
Les travaux de R&D des équipes japonaises ont accompagné l'évolution progressive des technologies au lithium qui se sont imposées successivement : tout d'abord la technologie au lithium-métal, mise à mal par les questions de sécurité liées à la maîtrise des phénomènes thermiques ; la technologie au lithium-ion, actuellement en pleine maturité ; la technologie au lithium-polymère, qui fait l'objet de la plupart des travaux.
Améliorer la sécurité des batteries au lithium-métal
Les batteries au lithium-métal, première génération de batteries rechargeables au lithium, utilisent une anode en lithium sous forme métallique. Cette technologie a eu un développement limité en raison des problèmes de sûreté de fonctionnement liés à la fragilisation progressive de l'anode au fil des cycles de charge et décharge successifs. Les recherches actuelles tentent de trouver une solution à cette question. Ainsi, Sumimoto Electric Industries (SEI) a développé une technologie de dépôt d'une surface protectrice sur l'anode. Une autre solution à l'étude est le remplacement de l'électrolyte par un liquide ionique à pression de vapeur quasi nulle, stable à haute température et ininflammable, limitant les conséquences d'une éventuelle surchauffe de la batterie. Enfin, des recherches visent à mettre au point un séparateur doté de pores à degré d'ouverture contrôlé, empêchant ainsi la réaction chimique de s'emballer en cas de surchauffe.
La technologie au lithium-ion, mise au point pour améliorer la sécurité, utilise une anode en carbone contenant des ions lithium Li+ en insertion dans sa microstructure. La porosité de l'anode joue un rôle majeur, les performances de la batterie dépendant de la quantité d'ions Li+ insérés. Un graphite polycristallin partiellement amorphe, le disordered carbon, a été développé, qui permet d'augmenter de 50% la teneur en ions lithium par rapport aux anodes en graphite standard, rendant ces batteries plus puissantes et plus compactes. Les cathodes des batteries au lithium-ion sont en oxyde de cobalt (CoO2), ou en oxyde de manganèse (MnO2 ou MnO4), meilleur marché. Lors d'une surcharge, l'électrode de cobalt fournit un surplus d'ions lithium avec un risque de surchauffe qui nécessite la mise en place d'un coûteux circuit de protection. De nouvelles voies sont en permanence explorées par les équipes de recherche tant académiques qu'industrielles : oxydes de vanadium ou de titane, phosphate de fer, alliages d'oxydes métalliques, etc. Depuis le lancement des premières batteries au lithium-ion rechargeables par Sony en 1991, une trentaine de couples d'électrodes faisant intervenir du lithium-ion ont été commercialisés, soit en moyenne une nouvelle combinaison tous les six mois. Les recherches universitaires japonaises se tournent actuellement vers l'étain. En théorie, il serait encore possible d'accroître d'un facteur dix la quantité d'ions lithium absorbés par la cathode.
Les matériaux utilisés et les technologies mises en oeuvre sont de plus en plus élaborés. Le nouvel accumulateur au lithium-ion Nexelion, équipant depuis février 2005 les caméscopes Sony, est pourvu d'une anode à base d'étain, de cobalt et de carbone, et d'une cathode à base de cobalt, nickel et manganèse. Celui-ci aurait une capacité supérieure de 30% à celle des batteries au lithium-ion traditionnelles. De son côté, Toshiba a mis au point la Super Charge Battery, un accumulateur au lithium-ion qui se recharge à 80% de sa capacité maximale en moins d'une minute et ne perd que 1% de sa capacité après 1.000 cycles de charge et décharge successifs. Ce résultat a été obtenu en recouvrant une anode en cobalt de nanoparticules ayant une capacité d'absorption de grandes quantités d'ions Li+, très rapidement. Cette batterie fonctionne à 80% de ses capacités dès - 40 °C. Elle devait être commercialisée au second semestre de l'année 2006. L'augmentation de la part utile de l'accumulateur a également contribué à l'amélioration des performances. De 1992 à 2004, les améliorations successives ont permis de doubler la densité d'énergie massique des batteries au lithium-ion, qui est ainsi passée de 90 à 180 Wh/kg.
Les batteries au lithium-ion polymère
Les batteries au lithium-ion polymère fonctionnent sur le même principe que les batteries au lithium-ion traditionnelles. Seul l'électrolyte, le milieu dans lequel migrent les ions lithium d'une électrode à l'autre est stabilisé au sein d'une matrice polymère solide qui emprisonne le liquide conducteur. L'accumulateur, ainsi constitué d'une superposition de trois couches minces - une pour chaque électrode et une pour l'électrolyte - peut adopter toutes les formes géométriques et s'intégrer à toutes les contraintes de conception. Ce système possède toutefois un inconvénient : à température équivalente, la conductivité de l'électrolyte polymère est inférieure à celle d'un électrolyte liquide. La température minimale de fonctionnement d'une batterie au lithium-ion polymère est par conséquent supérieure à celle d'une batterie au lithium-ion.
Les recherches sur le lithium-ion polymère sont nombreuses et les innovations régulières. Une start-up japonaise, Pionics Co., a annoncé en juillet 2006 avoir développé un nouvel accumulateur au lithium-ion polymère d'une capacité supérieure de 50% à celle des autres modèles de sa catégorie. Cette batterie possède une anode en oxyde de nickel, une cathode en alliage d'étain et un électrolyte constitué d'un liquide ionique ininflammable au sein d'une matrice en polyfluorure de vinylidène (PVDF), ce qui permet de réduire le risque que la batterie prenne feu. Cet accumulateur sera commercialisé dès l'été 2007 et destiné en priorité aux ordinateurs portables.
En dehors des applications désormais classiques des accumulateurs au lithium-ion dans les applications de faible puissance telles que les appareils électroniques grand public, le champ de diversification visé par les fabricants de batteries de haute performance concerne en premier lieu des marchés haut de gamme (voir "Les principales applications haut de gamme" ci-contre). Mais le plus grand potentiel de croissance du lithium-ion réside dans les moyens de transport. Si la capacité des batteries actuelles est insuffisante pour alimenter une voiture entièrement électrique sur de longues distances, elle est parfaitement adaptée à des véhicules hybrides qui la mettent à contribution sur les courtes accélérations et la rechargent lors du freinage. Dans ce domaine qui a atteint aujourd'hui une diffusion substantielle, c'est encore la technologie des accumulateurs de type NiMH (nickel métal hydrure) qui est privilégiée, les modèles équipés de batteries au lithium-ion étant pour l'heure assez discrets.
(Voir "La Battery Association of Japan" en fin d'article).
De fortes attentes dans le domaine du transport
L'amélioration progressive de la sécurité et de la densité énergétique des batteries au lithium-ion vient lentement à bout des réticences des constructeurs automobiles à les intégrer à leurs modèles. Ainsi Nissan commercialise, au Japon uniquement et depuis l'an 2000, l'Hypermini, dont les batteries au lithium-ion lui procurent une autonomie de 115 km en milieu urbain. Fuji-Heavy (Subaru), en association avec NEC, développe un véhicule hybride équipé de batteries au lithium-ion attendu pour 2007. Fuji-Heavy et Mitsubishi développent des véhicules tout électriques au lithium-ion qui devraient être commercialisés vers 2010. Sur ces applications des problèmes techniques restent à surmonter (lenteur du temps de charge, manque de capacité de charge qui limite l'autonomie à 150 km, et ce pour des véhicules petits et légers), avec un prix de vente objectif que Fuji-Heavy souhaiterait plafonner à 11.000 euros.
Le point sur :
La Battery Association of Japan
Les principaux constructeurs japonais de batteries au lithium-ion sont membres de la Battery Association of Japan (BAJ). Cette association, créée en 1948, s'est fixé pour objectifs principaux de standardiser les spécifications des batteries, développer le recyclage, promouvoir le développement des applications aux véhicules électriques, en association avec le Japan Automobile Research Institute (JARI, http://www.jari.or.jp), qui a absorbé, entre autres, la Japan Electric Vehicle Association (JEVA).
Les producteurs d'appareils électroniques portables sont très fortement représentés au sein de la BAJ, qui compte dix-huit membres permanents :
- Aoki Electric Industrial
- Diacelltec Corporation, joint venture entre Mitsubishi Cable Industries et Ferrotec Corporation
- FDK Corporation
- Fujifilm Imaging Co.
- Furukawa Battery
- GS Yuasa Corporation
- Hitachi Living systems
- Hitachi Maxell
- Matsushita Battery Industrial
- Mitsubishi Electric Life Network Corporation
- NEC Tokin Togichi
- SII Micro Parts
- Sanyo Electric
- Sanyo GS Soft Energy
- Schick Japan
- Shin-Kobe Electric Machinery
- Sony Corporation
- Toshiba Battery
