LES BATTERIES LITHIUM-ION: COMMENT ELLES SONT PRODUITES ET PRÉVISIONS D’UNE INDUSTRIE EN FORTE CROISSANCE

Source: Benchmark Mineral Intelligence – www.BenchmarkMinerals.com – Septembre 2017 (traduction par Nouveau Monde Graphite)

La ruée vers l’augmentation de la capacité de production de batteries lithium-ion est en cours. En 2020, la capacité mondiale de production sera d’au moins 265 GWh supplémentaire, soit une augmentation de 230% par rapport à aujourd’hui.

La confusion règne par contre entre ce qui constitue une usine de cellules lithium-ion et une autre qui produit des blocs-batteries pour véhicules électriques et dispositifs de stockage fixes.  Pour quantifier la demande de matières premières, il est essentiel de comprendre cette différence.  Benchmark Mineral Intelligence décrit, dans cet article, le processus de production des cellules lithium-ion et des blocs-batteries alors que le monde se prépare à la montée en puissance de la technologie lithium-ion.

Le nombre de giga-usines productrices de batteries lithium-ion est en augmentation fulgurante.   En février 2014, Tesla annonçait sa “Gigafactory“, une usine de batteries capable de produire 35 GWh de cellules et 50 GWh de blocs-batteries.

C’était un plan outrageusement audacieux à l’époque alors que la compagnie prévoyait augmenter la production mondiale de batteries lithium-ion de plus de 50%.  À cette époque, il n’y avait que deux autres giga-usines de batteries dans le pipeline: l’usine de Panasonic à Dalian en Chine; et l’intention de Foxconn Technology Group de construire une usine à Anhui, en Chine.

Les plans de Foxconn n’ont jamais quitté la planche à dessin.  Le fabricant du iPhone a plutôt  investi récemment $1,2 milliard dans Contemporary Amperex Technology (CATL) qui se trouve à être le plus grand producteur de batteries lithium-ion de Chine.  Foxconn a pris une position de 1,9% du capital-actions.

De son côté, Panasonic a commencé la production dans sa nouvelle usine de 5GWh à Dalian au début de 2017 et est également partenaire dans la Gigafactory de Tesla.  La production dans cette dernière également démarré plus tôt cette année.

Depuis l’annonce de Tesla, il y a de ça à peine plus de trois ans, nous avons assisté à une course vers une augmentation de capacité de production.  17 giga-usines de batteries sont maintenant en construction dans le monde d’une capacité totale de 265 GWh, selon les données de Benchmark Mineral Intelligence.

Il y a peu de doute quant à l’impact que cela aura sur l’industrie minière qui se trouve en amont.  Celle-ci est composé d’entreprises qui exploitent et transforment des minéraux en produits chimiques de qualité batterie.  L’impact sur le secteur de l’automobile qui se trouve en aval est également évident.

Il n’est plus contesté également que l’ère du véhicule électrique (VE) soit arrivée et que l’on voie maintenant pointer une révolution dans le stockage d’énergie.  L’avènement d’un début de marché de masse pour le VÉ signifie que les consommateurs auront bientôt le choix entre des véhicules complètement électriques à des prix moyen grâce au lancement de la Model 3 de Tesla, de la Bolt de Chevrolet et de la nouvelle LEAF de 60 kWh de Nissan.

Dans les médias grand public, la confusion règne.  Il y a une mentalité de groupe pour désigner chaque usine qui manipule des cellules lithium-ion comme étant une nouvelle usine de fabrication de cellules.

Cette année seulement, nous avons assisté jusqu’à maintenant à l’annonce de trois nouvelles usines: SK Innovation en Corée du Sud d’une capacité de 4GWh, Dynavolt à Fujian en Chine de 6 GWh de capacité de production nickel-manganèse-cobalt et l’annonce d’une giga-usine inspiré de Tesla par Northvolt en Suède.

CATL aussi a annoncé une augmentation de capacité de 50GWh à 100GWh, car la compagnie doit répondre à des contrats majeurs avec certains des plus grands constructeurs automobiles de Chine et d’Europe.

Le momentum se poursuivait récemment alors que le groupe Volkswagen (VW) révélait qu’il leur faudra au moins 200 GWh de batteries lithium-ion par année à compter de 2025.

Les chiffres sont tout simplement énormes.  Au total, d’ici 2020, l’industrie peut actuellement s’attendre à une capacité supplémentaire de 265 GWh de cellules lithium-ion.  La première étape du processus de production des batteries.

Compte tenu de la vitesse relative d’agrandissement d’une nouvelle usine de batteries, 6 à 12 mois en fonction de la disponibilité des équipements, attendez-vous à ce que la capacité augmente au cours des prochaines années.

Avec l’expansion rapide de la capacité à produire les cellules, une distinction claire doit être faite entre ces usines qui achètent les matières premières et celles qui assemblent les blocs-batteries pour VÉs.

 

Préparation des matières premières

Il existe trois modèles de cellules lithium-ion classiques: cylindrique, en pochette et prismatique. Le design cylindrique ressemblent le plus à une batterie dont les gens sont familier : une version plus grande des piles de taille AA qui vont dans nos télécommandes de télévision.

La pochette et les batteries prismatiques sont des formes différentes de la perception commune et sont utilisées dans l’électronique portable et dans les véhicules.

La durée de vie des trois designs de cellules commence de la même façon avec la fabrication des électrodes. C’est là que les matières premières sont mélangées avec des solvants avant d’être enduites sur une feuille d’aluminium (cathode) ou une feuille de cuivre (anode).

En utilisant l’exemple d’une chimie NMC, les poudres d’oxyde de nickel-cobalt-aluminium sont imprégnés avec du carbonate de lithium et mélangées avec des solvants pour créer une pâte. Cette pâte est ensuite appliquée dans une couche mince mesurée au micromètre sur une feuille d’aluminium.

La ruée vers l’augmentation de la capacité de production de batteries lithium-ion est en cours. En 2020, la capacité mondiale de production sera d’au moins 265 GWh supplémentaire, soit une augmentation de 230% par rapport à aujourd’hui.

PROCESSUS DE FABRICATION DES BATTERIES LITHIUM-ION

Une usine de 5 GWh nécessiterait 4 000 tonnes de carbonate de lithium et 8 300 tonnes de matériau cathodique NMC.  Quatre mélangeurs de 1 000 gallons seraient nécessaires pour le matériau de la cathode et les solvants.

Pour l’anode, le graphite, est soit sphérique naturel et enduit ou en forme synthétique micronisé ou bien c’est un mélange des deux.  Le graphite est mélangé avec des solvants et ensuite collé sur un substrat de cuivre.

Environ 6 000 tonnes de matériel d’anode en graphite seraient nécessaires pour la cellule, nécessitant deux mélangeurs de 1000 gallons. Il est probable cependant que l’usine consomme jusqu’à 20% plus de graphite que ce qui va juste dans les cellules car il est également utilisé comme lubrifiant tout au long du processus de fabrication.

Une fois l’anode et cathode mélangés et collés à leurs collecteurs de courants respectifs, le processus de calandrage commence.  Il s’agit d’une série de rouleaux haute pression qui pressent la matière première sur le substrat et assurent une épaisseur uniforme.

Dans ce processus, plus les feuilles sont fines, meilleure est la batterie car plus de matière première peut être incorporée dans une cellule de batterie lithium-ion, ce qui en augmente sa densité.

La dernière étape est le taillage des électrodes.  C’est un processus qui coupe le rouleau d’électrode dans la largeur désirée de la cellule.  Une fois terminé, les matières premières sont prêtes à entrer dans l’étape de formation de la batterie.  C’est alors un processus qui diffère légèrement pour chaque modèle de cellule.

 

Cellules cylindriques

Le format le plus commun utilisé aujourd’hui est le 18650.  Son nom est en fonction du rayon et de la hauteur de la cellule: 18 mm par 65 mm.  Un des principaux producteurs de 18650 est Panasonic Corp au Japon qui produit les cellules qui sont consommées par les assembleurs de blocs-batteries chez Tesla à Fremont, en Californie.

Les futurs véhicules de Tesla, en commençant cette année par la Model 3, utiliseront un nouveau design cylindrique: le 2170.  Il s’agit d’une version plus grande et légèrement plus large que son prédécesseur et qui a l’avantage d’un volume accru de 46%.

Il y a de nombreuses raisons pour lesquelles Tesla a décidé de redessiner le modèle classique 18650. La vitesse de fabrication et la densité de l’usine sont des qualités essentielles.

Pour que Tesla produise 500 000 véhicules électriques chaque année, la rapidité avec laquelle la Gigafactory peut produire des cellules lithium-ion est un facteur critique.

Le volume accru de la cellule signifie que moins de cellules individuelles doivent être produites pour chaque véhicule tandis que le bloc-batterie reste de la même capacité désirée.
« La machine qui construit la machine », a expliqué le PDG de Telsa, Elon Musk, qui a décrit la Gigafactory lors de son lancement plus tôt cette année. « Ce n’est pas un fouillis de choses où les machines sont achetées à partir d’un catalogue.”

« Il n’y a presque rien dans une Model S qui se trouve dans une autre voiture… la même approche a été prise pour la Gigafactory », a déclaré Musk.  La production va être le volume multiplié par la densité et par la vitesse.  Quelle est la densité du volume utile vis-à-vis non-utile?  « C’est vraiment bas, entre deux ou trois pour cent ».

Ensuite, vous parler de vitesse. Quelle est l’attente raisonnable? « Les constructeurs automobiles peuvent faire une voiture toutes les 25 secondes, ça sonne vite, mais la longueur de la voiture et l’espace tampon n’est de cinq mètres.  Ça prend 25 secondes pour bouger de cinq mètres… vous n’êtes pas beaucoup plus rapide qu’une tortue à ce moment-là. »

« L’amélioration de la densité peut aller jusqu’à un ordre de grandeur d’amélioration [de] deux à trois pour cent à 20 à 30 pour cent [volumétriquement].  Avec beaucoup moins d’efforts d’ingénierie, nous pouvons apporter des améliorations spectaculaires à la Gigafactory », a-t-il ajouté.  La première approche de Tesla a été critiquée par des experts de l’industrie, des experts dans la construction d’usines traditionnelles qui produisent des batteries.  Un de ces experts a expliqué à Benchmark que des erreurs de base avaient été commises lors de la première planification de la Gigafactory par Tesla, notamment dans l’installation d’équipements lourds de production au deuxième et troisième étage du bâtiment, ce qui ne pouvait pas être supporté  structurellement dans le design.

L’industrie de la batterie a évolué progressivement au cours des 25 dernières années ajoutant, au besoin, de la capacité aux usines existantes.

Pour la première fois, le potentiel dans la demande de batteries li-ion a forcé l’émergence de giga-usines qui justifient désormais de repenser la façon dont elles sont produites.  La première étape de la fabrication des batteries lithium-ion est l’enroulement de la cathode et des anodes en «rouleaux de gelée».

Bien que l’enroulement d’un rouleau de taille 2170 prendra plus de temps qu’un 18650, c’est tout de même l’une des parties les plus rapides du processus.  Un temps significatif sera économisé au moment de placer ces rouleaux de gelée dans des boîtiers en aluminium qui doivent ensuite être scellés.  Encore plus de temps sera économisé dans le processus de fabrication de l’emballage où chaque cellule est rivetée et fixée dans les modules qui composent cet emballage.

Le deuxième avantage majeur de la 2170 est son poids dans le véhicule.  Certaines des composantes les plus lourdes dans une batterie sont le boîtier en aluminium et d’autres pièces connexes.  Si l’on considère qu’il y a au moins 7 104 cellules de design 18650 dans une Model S de  85kWh, l’utilisation des nouvelles cellules plus grandes pourrait réduire ce nombre à moins de 3 850.

La réduction dans la quantité de matériaux utilisés dans l’ensemble ainsi que le nombre de cellules dans un bloc-batterie permet à la fois d’économiser du temps et de l’argent.  L’intérêt récent de nouvelles entreprises telles que Faraday Future et Lucid Motors, des nouveaux joueurs qui cherchent à suivre une plate-forme similaire à Tesla, a ouvert la voie à la 2170 pour qu’elle devienne le premier design de batterie pour véhicules électriques.

En conséquence, les deux concurrents à long terme de Panasonic qui sont LG Chem et Samsung SDI, développent maintenant leurs propres conceptions 2170 pour répondre à la nouvelle demande.

 

Pochette et prismatique

Avant la montée en popularité de Tesla, la pochette et le prismatique étaient les formats de cellules les plus en vogue dans l’espace VÉ et donc utilisés dans les voitures pionnières telles que la LEAF de Nissan.  Le développement d’un design en pochette a permis des cellules plus grandes que ce que les cylindres permettent et ne nécessitant pas de boîtiers rigides et plus lourds pour les cellules individuelles.

Le processus de fabrication commence de la même manière que pour le format cylindrique avec un processus d’enroulement ou de «pliage» de la cathode et de l’anode en une forme désirée. Au lieu de former un rouleau de gelée cylindrique, l’équipement de fabrication produit une formation pliée, un peu comme si l’on pliait un morceau de papier en quatre.

Cette pile est ensuite enfermée dans une mince feuille d’aluminium créant une pochette qui peut être utilisée individuellement dans des tablettes, des ordinateurs portables et des téléphones mobiles.  Le design en format prismatique est une version plus grande du processus cylindrique.  Le rouleau de gelée qui est alors placée dans un boîtier en aluminium rigide.

Samsung SDI a été le champion de l’industrie pour cette conception de batterie lithium-ion et a fait une poussée marketing importante pour que ce format devienne la cellule privilégiée pour l’industrie des véhicules électriques.

En 2017, des géants de la batterie ont lancé une gamme de design prismatique, de capacités variés pour cibler le secteur avec des options 28Ah, 40Ah, 60Ah, 64Ah lancées en utilisant une chimie cathodique NMC et une anode en graphite mélangé (naturel et synthétique).

 

Assemblage du bloc-batterie

Les usines qui produisent les cellules sont fondamentalement différentes des installations d’assemblage qui fabriquent les modules et blocs-batteries destinés aux VÉs.  Par exemple, Samsung SDI a récemment ouvert une nouvelle “usine de batteries” en Hongrie qui a causé beaucoup de confusion sur le marché.

L’installation basée à Goed, à 30km au nord de Budapest, a la capacité de fabriquer des blocs-batteries pour 50 000 véhicules électriques. « Les batteries sont l’une des pièces les plus importantes fournies aux constructeurs automobiles mondiaux.  Je pense que l’usine contribuera beaucoup à la croissance du marché européen des véhicules électriques », a déclaré le président de Samsung SDI, Jun Young-hyun.

L’usine utilisera cependant des cellules provenant des usines à batteries de Samsung en Corée et en Chine.  L’usine produira peut-être des cellules mais en ce qui concerne l’approvisionnement en matières premières qui vont dans ces cellules, ce processus se produira en Asie.

Dans les circonstances où une installation de production de blocs-batteries ne produit pas de cellules, elle peut acheter un rouleau d’électrode qu’elle transformera ensuite en cellules, mais elle ne s’approvisionnera pas en matières premières.  C’est le cas d’Automotive Energy Supply Corp (AESC) qui achète ses rouleaux d’électrodes auprès de NEC.

Le bloc-batterie de la chaîne d’approvisionnement lithium-ion est un chaînon qui se développe rapidement dans la chaîne d’approvisionnement.  Maîtriser le bloc-batterie ou la plate-forme est un élément essentiel de la fabrication d’un VÉ de haute qualité.

C’est là que les ingénieurs qualifiés gagnent leurs crédits en prenant des décisions sur la capacité optimale du bloc, le nombre de cellules à utiliser, la taille et la forme de celles-ci, la forme du bloc, les systèmes de refroidissement déployés et beaucoup plus.

Dans un pur VÉ, le bloc-batterie est essentiellement le moteur du véhicule et c’est sur ce terrain que des avancées importantes de propriété intellectuelle peuvent être gagnée ou perdue.   Est-ce que les stratégies des géants de la batterie lithium-ion diffèrent?

Voici une question récurrente que Benchmark s’est fait demandée et il est assez intéressant d’observer trois stratégies différentes.  Samsung SDI a été l’un des premiers à investir de façon significatif dans l’assemblage de blocs-batteries à l’extérieur de l’Asie.

Tesla a commencé comme une entreprise de fabrication de blocs-batteries plutôt que comme un producteur de véhicules électriques et a depuis intégré en amont avec la fabrication de cellules à la Gigafactory en collaboration avec Panasonic.

Pour Tesla, une réduction significative des coûts grâce à l’intégration de la chaîne d’approvisionnement a été une étape cruciale dans sa mission de promotion d’énergies renouvelables.

Pour Panasonic, faire équipe avec Tesla signifie que le fabricant de cellules est investi à la fois dans la production de blocs-batteries et de véhicules.

LG Chem, le troisième géant de la batterie du groupe, s’est concentré sur l’expansion de sa capacité de fabrication de cellules dans quatre hubs mondiaux: la Corée du Sud, la Chine, la Pologne et les États-Unis.  Étendre sa présence depuis la Corée du Sud était une stratégie délibérée.

Le producteur coréen est actuellement en train de construire sa toute nouvelle giga-usine à Wrocław, en Pologne, dans le sud-ouest du pays, près de la frontière avec l’Allemagne et la République tchèque.

Elle aura une capacité initiale de 4 GWh et la construction est en cours avec une mise en service attendue pour le quatrième trimestre de 2017.  «Nous transformerons l’usine de batteries en Pologne en une Mecque de production de batteries pour véhicules électriques dans le monde», a déclaré UB Lee, le président de LG Chem lors de la cérémonie d’inauguration.

 

Flux de matières premières

Pour comprendre où le lithium, graphite, cobalt et nickel seront consommés, une distinction claire doit être faite entre les endroits où sont fabriqués les cellules et où  les blocs-batteries sont assemblés.  Benchmark fait la surveillance des gigas-usines à batteries lithium-ion en se concentrant sur l’emplacement des points chauds de la demande en matières premières.

Le plus grand producteur de cellules d’ici 2020 devrait être CATL avec une capacité de 100GWh. Cela se traduira par une demande annuelle de carbonate de lithium de 80 000 tonnes, une consommation de cobalt de 23 000 tonnes et des besoins en anodes de graphite de 120 000 tonnes.

Bien que ces chiffres soient énormes par rapport à ce que l’industrie consomme aujourd’hui, soit le double de la demande en matières premières consommées en 2016, ils sont tout de même plutôt conservateurs vis-à-vis la croissance de l’industrie.

Volkswagen a été plus bavard sur ses plans de production de VÉs ces derniers mois.  Les nouvelles les plus significatives du constructeur automobile numéro un mondial ont été la révélation de sa consommation prévue de batterie lithium-ion en 2025.

Le groupe dit qu’il lui faudra un minimum de 200 GWh de batteries lithium-ion à chaque année à compter de 2025.

Considérant que l’industrie des batteries lithium-ion n’était que de 70 GWh en 2016, il s’agit d’un changement important pour le secteur et c’est également la première fois qu’un constructeur automobile traditionnel soit aussi explicite.

 

Benchmark ne s’attend pas à ce que VW fabrique ses propres cellules de batterie dans un proche avenir.  Des investissements importants, par contre, dans la capacité de fabrication de cellules doivent être à l’horizon pour le groupe allemand.

En termes de matières premières, 200 GWh se traduisent par 160 000 tonnes de carbonate de lithium, 216 000 tonnes d’anode en graphite et 63 000 tonnes de cobalt.  C’est une capacité de production supplémentaire que l’industrie ne serait pas en mesure de financer sans les engagements des plus grands utilisateurs finaux du monde, comme VW.

 

Le bloc-batterie de l’avenir

Les batteries deviennent plus grosses et plus denses.  Lorsque la Toyota Prius hybride a été produite pour la première fois en 1997, elle disposait d’une batterie au nickel-métal-hydride de 1,3 kWh, tandis que la Nissan LEAF en 2010 avait un bloc-batterie de 24 kWh.

Aujourd’hui, pour un véhicule électrique de milieu de gamme, il s’agit d’une très petite batterie en comparant avec la Model S de 85 kWh, la Model X de 100 kWh et les nouveaux modèles de Lucid Motors et Faraday Futures à plus de 130 kWh.

La nouvelle capacité standard pour les véhicules de milieu de gamme devrait se situer entre 60 et 65 kWh.  La Model 3 de Tesla, la LEAF de troisième génération de Nissan et la Bolt de Chevrolet visent toutes ces dimensions.

Cela donnerait une portée de plus de 230 miles sur une seule charge. En considérant les bus électriques, les blocs-batteries sont encore plus gros. Les nouveaux designs de Proterra contiennent des batteries allant de 79 kWh à 660 kWh.

La façon la plus courante d’améliorer le bloc-batterie est de rendre les cellules plus denses. Cependant, ajouter plus de cellules signifie ajouter plus de poids.

La réduction des matériaux passifs, c’est-à-dire autres que la cathode, l’anode et le séparateur, sont d’une importance primordiale.  Le nouveau design 2170 de Tesla est un bon exemple de cette tendance alors que ça réduit la quantité de boîtier en aluminium nécessaire dans le bloc-batterie.

Le système de refroidissement contribue également à ajouter un poids important.  Les véhicules électriques d’aujourd’hui sont refroidis par liquide, c’est pourquoi de nombreuses recherches sont en cours pour concevoir des blocs-batteries refroidis à l’air.  C’est également important d’améliorer la façon dont le véhicule tire son énergie de la batterie.

Par conséquent, le logiciel, qui se trouve à être le système de gestion de l’énergie, joue un rôle essentiel dans la fabrication des batteries lithium-ion d’aujourd’hui.

Alors que les chimistes ont pris le crédit pour les améliorations que nous avons constatées au cours des 10 dernières années, ce seront les ingénieurs responsables du bloc-batterie et les programmeurs du système de gestion qui seront à surveiller lors de la prochaine décennie.

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