Pourquoi la Chine peut dominer la production de batteries lithium-ion

Le lithium-ion est-il la batterie idéale ?

Pendant de nombreuses années, le nickel-cadmium était la seule batterie adaptée aux équipements portables, depuis les communications sans fil jusqu'à l'informatique mobile. Le nickel-métal-hydrure et le lithium-ion sont apparus au début des années 1990, se battant nez à nez pour gagner l'acceptation des clients. Aujourd’hui, le lithium-ion est la chimie des batteries qui connaît la croissance la plus rapide et la plus prometteuse.

Le monde est de plus en plus électrifié. Non seulement les pays en développement augmentent la disponibilité de l’électricité pour leurs populations, mais l’électrification des infrastructures de transport existantes progresse à un rythme rapide. D’ici 2040, plus de la moitié des voitures en circulation devraient être alimentées à l’électricité.

Une brève histoire des batteries

Les batteries font partie de notre quotidien depuis longtemps. La première véritable batterie au monde a été inventée en 1800 par le physicien italien Alessandro Volta. L’invention a représenté une percée remarquable, mais depuis lors, seule une poignée d’innovations significatives ont été enregistrées.

La première était la batterie au plomb, inventée en 1859. Il s’agissait de la première batterie rechargeable et reste encore aujourd’hui la batterie la plus couramment utilisée pour démarrer les moteurs à combustion interne.

Il y a eu des conceptions de batteries innovantes au cours des deux derniers siècles, mais ce n'est qu'en 1980 qu'un véritable changement de donne a été inventé. C’est à ce moment-là que les percées réalisées à l’Université d’Oxford et à l’Université de Stanford ont conduit au développement de la batterie lithium-ion. Sony a commercialisé la première batterie lithium-ion en 1991.

Quelle est la particularité du lithium ?

Le lithium est un métal spécial à bien des égards. Il est léger et doux – si doux qu'il peut être coupé avec un couteau de cuisine et si faible en densité qu'il flotte sur l'eau. Il est également solide dans une large plage de températures, avec l'un des points de fusion les plus bas de tous les métaux et un point d'ébullition élevé.

Comme son homologue alcalin, le sodium, le lithium réagit avec l’eau sous une forme voyante. La combinaison de Li et H2O forme de l’hydroxyde de lithium et de l’hydrogène, qui éclatent généralement en flammes rouges.

Il y a de nombreux aspects à Batterie lithium-ion sécurité tout au long de ses processus de conception, y compris une structure de batterie sûre, des matières premières sûres, des fonctions de protection et des certifications de sécurité. Interrogé par China Electronics News, M. Su Jinran, ingénieur en chef adjoint, a déclaré que la sécurité des produits commençait dès la conception des produits. Par conséquent, la sélection des matériaux d'électrode, des séparateurs et des électrolytes appropriés est la première priorité pour une conception sûre des batteries. Pour les matériaux d'anode de batterie, les matériaux ternaires, le manganèse lithium et le lithium fer phosphate, qui ont été largement utilisés dans la conception des batteries et ont donné des performances satisfaisantes, sont plus sûrs que le lithium cobaltate et le nickel lithium traditionnels.

Les batteries lithium-ion sont populaires car elles présentent un certain nombre d'avantages importants par rapport aux technologies concurrentes :

● Elles sont généralement beaucoup plus légères que les autres types de batteries rechargeables de même taille. Les électrodes d'une batterie lithium-ion sont constituées de lithium léger et de carbone. Le lithium est également un élément hautement réactif, ce qui signifie qu'une grande quantité d'énergie peut être stockée dans ses liaisons atomiques. Cela se traduit par une densité énergétique très élevée pour les batteries lithium-ion. Voici une façon d’avoir une perspective sur la densité énergétique. Une batterie lithium-ion typique peut stocker 150 wattheures d’électricité dans 1 kilogramme de batterie. Une batterie NiMH (hydrure de nickel-métal) peut stocker peut-être 100 wattheures par kilogramme, bien que 60 à 70 wattheures puissent être plus typiques. Une batterie au plomb ne peut stocker que 25 wattheures par kilogramme. Grâce à la technologie au plomb, il faut 6 kilogrammes pour stocker la même quantité d’énergie qu’une batterie lithium-ion de 1 kilogramme peut gérer. C'est une énorme différence [source : Everything2.com ].

● Ils tiennent leur charge. Une batterie lithium-ion ne perd qu'environ 5 % de sa charge par mois, contre une perte de 20 % par mois pour les batteries NiMH.

● Elles n'ont pas d'effet mémoire, ce qui signifie que vous n'avez pas besoin de les décharger complètement avant de les recharger, comme c'est le cas avec d'autres batteries.

● Les batteries lithium-ion peuvent gérer des centaines de cycles de charge/décharge.

● Cela ne veut pas dire que les batteries lithium-ion sont parfaites. Ils présentent également quelques inconvénients :

● Ils commencent à se dégrader dès qu'ils quittent l'usine. Ils ne dureront que deux ou trois ans à compter de la date de fabrication, que vous les utilisiez ou non.

● Ils sont extrêmement sensibles aux températures élevées. La chaleur provoque une dégradation beaucoup plus rapide des batteries lithium-ion qu’elles ne le feraient normalement.

● Si vous déchargez complètement une batterie lithium-ion, elle est détruite.

● Une batterie lithium-ion doit disposer d'un ordinateur de bord pour gérer la batterie. Cela les rend encore plus chers qu’ils ne le sont déjà.

● Il existe un faible risque qu'en cas de panne d'une batterie lithium-ion, elle s'enflamme.

Établissement de normes basées sur l’innovation

En raison de la complexité du mécanisme de sécurité des batteries lithium-ion, en particulier de l'impact sur la sécurité après la réutilisation des batteries, le processus de compréhension de la sécurité des batteries lithium-ion et d'établissement de ses normes doit être graduel et progressif. Il convient également d’envisager le développement et l’application de techniques de contrôle externe. Su a suggéré que comme paramètre Batterie lithium-ion les normes de sécurité sont un travail hautement technique, les professionnels de normalisation des organismes de normalisation des batteries et les spécialistes techniques de l'industrie des batteries, les utilisateurs et les domaines de contrôle électronique doivent participer au processus, y compris aux travaux de vérification expérimentale.

L'ingénieur principal de l'Institut chinois de normalisation électronique, M. Sun Chuanhao, a déclaré que les batteries lithium-ion pouvaient actuellement être divisées en types d'énergie et en types de puissance. Comme ces deux produits présentent des différences en termes de matériaux et de structures de conception, leurs méthodes de test et leurs exigences sont différentes, même dans les mêmes conditions de sécurité. Les batteries dites portables appartiennent au type d'énergie, y compris les batteries lithium-ion utilisées dans les téléphones mobiles, les ordinateurs portables, les appareils photo numériques et les caméras vidéo, tandis que les batteries de type électrique sont destinées aux outils électriques, aux vélos électriques et aux véhicules électriques.

Selon l'organisme de recherche BloombergNEF, le prix moyen pondéré en fonction du volume des batteries lithium-ion (qui comprend la cellule et le pack) a chuté de 85 % entre 2010 et 2018, pour atteindre une moyenne de 176 $/kWh. BloombergNEF prévoit en outre que les prix chuteront à 94 $/kWh d'ici 2024 et à 62 $/kWh d'ici 2030.

Cette courbe de coûts en baisse a des implications importantes pour toute entreprise qui utilise des batteries dans son service, ou pour celles qui ont besoin de stocker de l'énergie (par exemple, les producteurs d'électricité). Jusqu’à présent, la plupart des ventes de batteries lithium-ion ont été réalisées dans le secteur de l’électronique grand public, mais les ventes futures seront de plus en plus tirées par les voitures électriques.

La plupart des voitures en circulation aujourd’hui utilisent encore une batterie au plomb et un moteur à combustion interne. Mais les ventes de véhicules électriques – alimentés par des batteries lithium-ion – ont plus que décuplé au cours des cinq dernières années. En outre, de plus en plus de pays interdisent à l’avenir les voitures à combustion interne, dans l’espoir que les véhicules électriques finiront par dominer les transports personnels.

Bien entendu, cela signifie une demande future beaucoup plus importante en batteries. À tel point que le constructeur de véhicules électriques Tesla, en partenariat avec Panasonic, investit des milliards de dollars pour construire de nouvelles usines de batteries lithium-ion. Néanmoins, les producteurs américains de batteries lithium-ion accusent un retard en termes de part de marché.

Un marché de croissance connexe pour les batteries lithium-ion concerne les applications industrielles lourdes telles que les chariots élévateurs, les balayeuses et les autolaveuses, les applications d'assistance au sol dans les aéroports et les véhicules à guidage automatique (AGV). Ces applications de niche ont toujours été servies par les batteries au plomb et les moteurs à combustion interne, mais les paramètres économiques ont rapidement évolué en faveur des batteries lithium-ion.

La Chine aux commandes

Selon une analyse de BloombergNEF, début 2019, la capacité mondiale de fabrication de cellules au lithium s’élevait à 316 gigawattheures (GWh). La Chine abrite 73 % de cette capacité, suivie par les États-Unis, loin derrière en deuxième position avec 12 % de la capacité mondiale.

La capacité mondiale devrait croître de manière robuste d’ici 2025, alors que BloombergNEF prévoit 1 211 GWh de capacité mondiale. La capacité aux États-Unis devrait croître, mais à un rythme plus lent que la capacité mondiale. Ainsi, la part des États-Unis dans la fabrication mondiale de piles au lithium devrait diminuer.

Tesla tente de résoudre ce problème en construisant ses propres usines de batteries, mais pour les entreprises qui fournissent une large gamme de ces types de batteries, comme OneCharge, basée en Californie, il s'avère difficile de trouver des fournisseurs locaux. J'ai récemment parlé avec Alex Pisarev, PDG de OneCharge, qui a souligné les défis auxquels son entreprise est confrontée :

« Les fabricants américains seraient heureux d’utiliser des cellules lithium-ion fabriquées aux États-Unis », m’a dit Pisarev, « mais ce n’est pas réaliste aujourd’hui. Nous devons donc continuer à les importer de Chine.

La Chine suit le même chemin qu’elle a suivi auparavant avec les panneaux solaires. Alors que les cellules solaires ont été inventées par l’ingénieur américain Russell Ohl, la Chine domine aujourd’hui le marché mondial des panneaux solaires. La Chine se concentre désormais sur le contrôle de la production mondiale de batteries lithium-ion.

Est-il préférable de disposer de technologies vertes les moins chères possibles, même si cela implique d’abandonner la fabrication à d’autres pays ? Les faibles prix des panneaux solaires ont contribué à une explosion de la nouvelle croissance du solaire photovoltaïque, ce qui a, à son tour, soutenu de nombreux emplois aux États-Unis. Mais la majeure partie de ces panneaux sont fabriqués en Chine. L’administration Trump a tenté de résoudre ce problème en imposant des droits de douane sur les panneaux solaires importés, mais la plupart de l’industrie solaire américaine s’y sont vigoureusement opposées.

La Chine bénéficie d’un avantage majeur en matière de main-d’œuvre bon marché, ce qui lui a permis de dominer de nombreuses industries manufacturières. Mais la Chine possède également plus de réserves de lithium et une production de lithium bien plus importante que les États-Unis. En 2018, la production chinoise de lithium était de 8 000 tonnes, la troisième parmi tous les pays et près de dix fois la production américaine de lithium. Les réserves chinoises de lithium en 2018 s'élevaient à un million de tonnes, soit près de 30 fois les niveaux américains.

La voie à suivre

Les tendances indiquent que les batteries lithium-ion remplaceront de plus en plus les batteries au plomb dans les secteurs du transport et de l’équipement lourd. Il s’agit d’une évolution cruciale dans un monde aux prises avec des émissions record de dioxyde de carbone.

Mais avec un tel avantage en termes de coûts de fabrication et de disponibilité des matières premières, les États-Unis peuvent-ils rivaliser avec la Chine sur le marché mondial ? Dans le cas contraire, alors qu’un nombre croissant de batteries lithium-ion atteignent la fin de leur durée de vie utile, les États-Unis peuvent-ils développer un marché compétitif pour le lithium recyclé ?

Ce sont des questions importantes qui doivent être abordées.

On ne sait pas exactement comment la Chine relèvera ces défis, mais étant donné sa quête incessante du lithium et l’importance stratégique qu’elle attache à ce métal, des solutions seront sans aucun doute trouvées. À bien des égards, l'adoption par la Chine des transports verts est une bonne chose, car elle accroît l'intérêt pour le secteur et incite les pays concurrents à tenter de rattraper leur retard en termes de part de l'approvisionnement en lithium et du marché des batteries rechargeables. Le danger est qu’ils restent à la traîne, laissant à la Chine le monopole de ce qui pourrait bientôt devenir un secteur de transport dominant.

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