Renforcement de la chaîne de valeur de la batterie

L'industrie de fabrication des batteries a connu une forte croissance au cours des dernières décennies, grâce à l'importance grandissante de la portabilité et de la flexibilité dans la vie quotidienne. La batterie lithium-ion (Li-ion) moderne a commencé à petite échelle, développée au départ pour une utilisation dans les appareils électroniques grand public dans les années 1990, et est maintenant un composant de base dans les téléphones cellulaires, les ordinateurs portables et bien plus encore.

Martin Eberhard, co-fondateur de Tesla, a franchi une étape importante en assemblant plusieurs batteries au lithium pour alimenter les véhicules électriques (VE). Il a réalisé que les techniques utilisées pour produire les batteries d'ordinateurs portables pouvaient être adaptées pour obtenir une fabrication plus rentable de ces batteries plus volumineuses. En conséquence, Tesla et les autres fabricants de VE les ont intégrées dans la chaîne d'approvisionnement existante. Le Tesla Roadster, produit phare de 2008, était alimenté par 6 831 batteries Li-ion d'ordinateurs portables, avec une autonomie de 400 km (250 mi) et une vitesse de pointe de plus de 200 km/h (130 mph).

Au-delà des VE, les préoccupations climatiques entraînent une transition vers des techniques de production d'énergie durables incluant le vent, le solaire et la géothermie. Le stockage par batteries est indispensable du fait de la capacité de production intermittente de ces sources d'énergie. Les batteries lithium modernes sont également de plus en plus utilisées pour les micro-réseaux électriques, complétant le réseau électrique traditionnel. Ceci est particulièrement important pour les centres de données et d'autres applications avec des exigences de puissance redondantes.

Entre sa source dans la terre et sa commercialisation de gros et de détail, le lithium passe par plusieurs étapes et process, notamment l'extraction, le raffinage, la fabrication des batteries et l'expédition. Et le prix des batteries au lithium reflète toutes les étapes intermédiaires. Les batteries au lithium volumineuses peuvent être assez chères. Par exemple, le remplacement de la batterie de la Tesla Model S coûte entre 8 000 et 10 000 dollars.

La chaîne de valeur d'une batterie se compose de quatre étapes principales :

1. Upstream : les mineurs extraient le lithium, le cobalt, le manganèse, les phosphates, le nickel et le graphite pour la fabrication de batteries Li-ion.
2. Midstream : les transformateurs et les raffineurs produisent les composants actifs des cathodes et anodes, et les négociants en matières premières achètent et vendent ces composants actifs aux entreprises qui assemblent les cellules de batterie.
3. Downstream : les fabricants de batteries assemblent les cellules en modules, qui sont ensuite vendus aux grossistes ou aux revendeurs.
4. Fin de vie : les recycleurs de batteries décomposent les batteries usagées en différents éléments qui sont réutilisés pour produire de nouvelles batteries, à l'aide de diverses méthodes.

Le lithium est présent en quantités commerciales principalement en Australie, en Argentine, en Bolivie et au Chili. En Australie, les mines à ciel ouvert de spodumène sont utilisées pour traiter la plupart du minerai de lithium. La mine de Greenbushes en Australie-Occidentale est la plus grande mine de lithium en roche dure au monde, et produit chaque année environ 5,6 milliards de dollars de spodumène de lithium.

En Amérique du Nord et du Sud, le lithium est concentré à partir des saumures de salar trouvées sous d'anciens lacs salés. Les producteurs doivent forer dans ces aquifères saumâtres puis pomper le liquide dans les lits de séchage, où une grande partie s'évapore pour laisser place aux sels de lithium. D'autres minéraux comme le brome peuvent également être extraits des concentrés dans le lit de séchage.

Une fois extraites, les matières premières doivent être raffinées pour devenir utilisables. Selon Bloomberg NEF , la Chine, la Corée du Sud et le Japon sont les principaux pays producteurs de batteries au monde. La Chine domine actuellement la chaîne d'approvisionnement mondiale des batteries Li-ion, produisant 80 % de toutes les batteries Li-ion, 70 % des cathodes et 80 % des anodes. En outre, la Chine traite et raffine plus de la moitié du lithium, du phosphate, du cobalt et du graphite dans le monde.

Les deuxièmes, la Corée du Sud et le Japon, sont responsables d'une part nettement moins importante de la production de batteries. La Corée du Sud produit 15 % des électrodes cathodiques et 3 % des électrodes anodiques mondiales, et 14 % et 11 % pour le Japon.

Le process de raffinage du minerai de lithium s'adapte aux procédés de fabrication du ciment, y compris le concassage, la calcination, le broyage et la sulfatation. La lixiviation et le filtrage sont utilisés pour éliminer les autres minéraux, tels que l'alumine, le manganèse et le calcium. Ce process se poursuit jusqu'à ce que le carbonate de lithium soit obtenu à la qualité souhaitée.

La fabrication de batteries nécessite l'assemblage d'une cellule entière et éventuellement un ensemble de cellules. Les composants clés sont la cathode, l'anode et l'électrolyte. Les cathodes Li-ion sont principalement constituées de lithium et les anodes de carbone. Chaque cellule comprend un séparateur et un carter pour tenir les matériaux de la batterie, qui est remplie d'un électrolyte conducteur.

L'anode et la cathode sont obtenues par la création d'une boue constituée d'un matériau actif, d'agents conducteurs et d'un liant. La boue est ensuite déposée sur un film ou un substrat. La feuille est coupée, taillée et calendrée, aplatie entre deux rouleaux sous pression afin d'être adaptée à la batterie, puis est séchée. Le solvant est récupéré pour réutilisation.

Une fois l'anode et la cathode terminées, un séparateur est installé entre elles. Ensuite, tout le carter est rempli de gel d'électrolyte.

Parmi les défis typiques de la chaîne d'approvisionnement, la chaîne de valeur de la batterie possède des caractéristiques uniques, exigeant une surveillance critique pour assurer la sécurité et la durabilité. Tout d'abord, les chaînes d'approvisionnement doivent être soigneusement gérées pour assurer une alimentation régulière en saumures, minerais et autres matières premières nécessaires. Si la fabrication de batteries importantes est centrée en Chine, les matières premières proviennent de partout dans le monde, et toute interruption de l'expédition peut avoir des conséquences dramatiques.

En outre, les méthodes de fabrication des batteries Li-ion produisent des déchets solides, liquides et gazeux. Cela entraîne un risque d'effets néfastes pour l'environnement, notamment dans les régions présentant des restrictions environnementales.

Il est essentiel d'appliquer des normes strictes pour la fabrication, l'élimination et le recyclage des batteries Li-ion en raison de leur risque inhérent d'incendie ou d'explosion. Les batteries contrefaites issues de sources douteuses peuvent exacerber ces dangers.

Le recyclage des batteries Li-ion peut également être difficile. Considérées comme déchets dangereux, la réutilisation de ces batteries peut permettre aux fabricants de réaliser des économies d'énergie importantes tout en éliminant les répercussions négatives sur l'environnement de leur élimination.

Les coûts de production des batteries Li-ion sont élevés en raison de la qualité exigée des matières premières, de l'importance du contrôle de la qualité, des procédures de fabrication complexes et du volume demandé. Par exemple, il faut 289 tonnes de minerai, 750 tonnes de saumure ou 28 tonnes de batteries Li-ion pour produire une tonne de lithium pur, de qualité requise pour les batteries.

Les chercheurs étudient la faisabilité des batteries ion-sodium pour pallier à ces défis. Le sodium est beaucoup plus abondant que le lithium, plus facile à extraire, et beaucoup moins cher. En outre, il est moins volatil et plus stable.

Les batteries à flux, qui stockent l'énergie dans un électrolyte liquide, font également l'objet d'études pour être utilisées dans le stockage d'énergie de réseau. Ces types de batteries se composent de deux ou plusieurs réservoirs contenant l'électrolyte, qui est pompé via une cellule électrochimique pour produire de l'électricité.

Toutefois, les piles sodium-ion et les batteries à flux ont une densité d'énergie moindre en volume et en poids par rapport aux batteries Li-ion. Elles sont également moins efficaces, menant à des applications finales moins fiables. Par conséquent, dans un avenir proche, les batteries Li-ion restent la principale technologie de choix.

Les batteries Li-ion ont révolutionné la puissance du portable, permettant des technologies révolutionnaires telles que les smartphones, les outils électriques, les véhicules électriques et les micro-réseaux. Alors que le monde se tourne vers l'énergie renouvelable et la mobilité électrique, la demande en batteries ne peut que croître. Toutefois, la chaîne de valeur complexe et dépendante du marché mondiale de la batterie au lithium présente des défis importants.

La durabilité mondiale implique un approvisionnement éthique en matières premières, afin d'atténuer les impacts environnementaux tout au long du process de production et de lutter contre le recyclage insuffisant des batteries. Même si les alternatives électrochimiques comme les batteries sodium-ion sont prometteuses, la technologie Li-ion reste la force dominante dans le secteur des batteries. Les batteries Li-ion ne constituent qu'une seule composante de la transition énergétique mondiale et des mesures de réduction des émissions de carbone pour atteindre l'objectif zéro net émission de 2050.