Entrevue AVÉQ : Karim Zaghib - Hydro-Québec (IREQ)

Retour sur les innovations majeures d’Hydro-Québec et de CIC Energigune

Karim Zaghib

Suite à l'annonce d'Hydro-Québec du 13 mai dernier sur des innovations majeures en vue de la prochaine génération de batteries, l'AVÉQ a de nouveau obtenue une entrevue avec Karim Zaghib,  directeur – Stockage et conservation d’énergie à l’Institut de recherche d’Hydro-Québec (IREQ) afin commenter les innovations et de répondre à nos questions.

L'annonce d'Hydro-Québec du 13 mai est complémentaire à l'annonce du 24 février, laquelle couvrait une innovation au niveau d'une composante de batterie de nouvelle génération. 

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Le communiqué de presse présente un graphique comparant une batterie Li-Ion actuelle (illustré en bleu pâle) et les 2 nouvelles batteries (illustrées en bleu foncé) : 

• Les 2 nouvelles batteries ont 2 éléments en commun, soit une anode à base de Lithium métallique et une électrolyte solide, à base de polymère. 
• L'élément qui différencie les 2 batteries est la cathode, à base de Fer-Phosphate (LiFePO4) pour la première et à base de Manganèse (Li2MnSiO4) pour la seconde. La seconde cathode était l'innovation annoncée en février dernier.
  

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Le communiqué de presse mentionne :
"Cette technologie constitue une avancée importante, proposant une densité d’énergie supérieure à celle des batteries au lithium-ion en raison de l’utilisation du lithium métallique comme anode"
Q.  Est-ce la première innovation (Anode)?
R.  L'innovation de février dernier concernait la cathode (électrode positive) de composition Li2MnSiO4.

Le communiqué de presse du 13 mai a 2 objectifs:
- Présenter la nouvelle anode, à base de lithium métallique traitée
- Présenter le nouvel électrolyte solide ininflammable [la seconde innovation]

2 nouvelles batteries sont présentées avec comme seule différence la composition de la cathode  : la première étant à base de Fer-Phosphate (LiFePO4) et la seconde à base de Manganèse-Silicates (LI2MnSiO4). Voir graphique ci-haut.

L'anode à base de lithium métallique a été qualifiée "d'anode idéale" dans une publication récente de Nature "High rate and stable cycling of lithium metal anode".

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Étude scientifique

L'équipe de recherche a publié les résultats d'une étude comparative entre 2 compositions de cathodes dans la publication scientifique NanoLetters.

Q. La publication a rapporté une comparaison entre des batteries à cathode Lithium-Fer-Phosphate et LVO. La cathode Lithium-Fer-Phosphate semble nettement avantageuse. Qu'en est-il ?

R.  L'équipe d'Hydro-Québec a comparé 2 cathodes de composition différentes, soit LVO (Vanadium - Li1.2V3O8) et LFP (Lithium-Fer-Phosphate - LiFePO4). Les résultats démontrent clairement que la seconde cathode est plus résistante aux cycles charge-décharge complet, avec 20% de dégradation après 1300 cycles complets (100% DOD), comparativement à 20% après seulement une vingtaine de cycles pour la composition LVO. 

Vidéos

Les 2 vidéos suivants démontrent le comportement d'une batterie (réelle en utilisation) à électrolyte solide, en démontrant le comportement des composants pendant les cycles charge-décharge à l'aide d'un microscope électronique. Ces vidéos ont été publiés dans le cadre de l'étude scientifique et sont considérés comme une première mondiale.

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Commercialisation

Interrogé sur l'état d'avancement du développement des nouvelles batteries, M. Zaghib précise :
Une technologie de batterie doit passer des tests de performance et de longévité. "Pour avoir un statut de commercialisable, une technologie doit être testée sur 1000 cycles et avoir moins de 20% de pertes." La batterie #1 du communiqué de presse est donc commercialisable puisque les essais ont été effectués sur plus de 1300 cycles complets. "Hydro-Québec est actuellement en négociation pour la commercialisation." La seconde batterie est encore en développement. 

Interrogé sur l'impact des nouveaux procédés de fabrication et les coûts, M. Zaghib mentionne que :

• "Les matériaux composant les nouvelles batteries respectent les critères" (sécurité, abondance et faible coût).
• "Les prix seront à la baisse, dû aux matériaux de faible valeur et aux processus simplifiés", en l'absence d'électrolyte sous forme liquide.
• "L'absence de liquide donne une très grande flexibilité au niveau du format" d'une batterie. "Celle-ci peut être découpée en fonction des besoins".

Limitations actuelles

Questionné sur les méthodes d'essais dans la publication NanoLetters, M. Zaghib a confirmé à l'AVÉQ que 2 éléments limitatifs sont actuellement présents :

Rapidité de charge :
Il y a actuellement une limitation actuelle de l'anode à base de Lithium métallique sur la rapidité de charge. Les essais chez Hydro-Québec sont effectués à une cadence C/3 ce qui signifie une charge sur une période de 3 heures. La technologie est cependant en développement et "l'objectif visé dans les prochains 6 mois est une recharge en 1 heure".

Température de fonctionnement :
Contrairement à une batterie Lithium-Ion qui peut se détériorer en fonction de la chaleur, une batterie à électrolyte solide en polymère doit être maintenue à une température constante, actuellement à un seuil qui ne peut pas être dévoilé publiquement, mais se situant "sous les 60 degrés Celcius". 

Futur

Q. Vous avez répondu à la question "Est-ce que l'on peut s'attendre à voir sur le marché des véhicules électriques ayant une autonomie de 500 km dans 5 ans?" en février dernier.
Votre réponse était : "Objectif réaliste de 350 km, 500 km réalisable d'ici 5 ans."
Pouvez-vous actualiser votre réponse ?

R.  M. Zaghib mentionne que 2 éléments de batterie seront stables pour les prochaines années : L'anode à base de Lithium métallique et l'électrolyte solide à base de polymère. La progression de l'énergie (autonomie) se fera en fonction de la composition de la cathode :

• La cathode prête pour la commercialisation à base de Fer-Phosphate a une autonomie cible de 350 km
• Une future cathode à base de Soufre aura une cible d'autonomie de 500 km
  
• Une future cathode à base de Lithium-air aura une cible d'autonomie de 800 km

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Sources : AVÉQ - Entrevue avec M. Karim Zaghib (15 mai 2015), Nature.com , ACS Publications (NanoLetters)
Entrevue et contribution : Richard Lemelin, Directeur régional AVÉQ - Capitale Nationale