Batteries haute densité énergétique au LI-S : différences avec la technologie LI-ION, évaluation des risques et mise en sécurité Rapports d'appui / guides .pdf 21 janvier 2019 1.88 Mo Description La technologie lithium-soufre (Li-S) est généralement considérée comme la solution « post-Li-ion » privilégiée pour les applications nécessitant une haute densité d’énergie. • Le chapitre 1 présente le contexte général. • Le principe de fonctionnement de cette technologie est décrit dans le chapitre 2. Cette technologie repose sur des mécanismes réactionnels complexes impliquant la conversion du soufre S8 en Li2S, en passant par des espèces intermédiaires actives : les polysulfures de lithium. Ce principe de fonctionnement est différent de la technologie Li-ion qui repose sur l’intercalation d’ions lithium. • Le chapitre 3 montre que la technologie Li-ion devrait rester la technologie de choix pour la prochaine décennie. La commercialisation de masse des batteries Li-S est attendue à horizon 2030, même si à ce jour, des cellules Li-S prototypes sont déjà commercialisées par une entreprise britannique, acteur industriel majeur du marché dans ce domaine. Les marchés visés par la technologie Li-S sont, dans un premier temps, l’aéronautique et le spatial. A plus long terme, la technologie pourrait également équiper des véhicules électriques lourds (camions, bus). La technologie Li-S ne devraient pas gagner le marché des voitures électriques, à moins que des avancées permettant un gain majeur en densité volumique soient réalisées. • Les principaux avantages et limites de la technologie Li-S sont décrits dans le chapitre 4. Les avantages majeurs portent sur l’énergie spécifique (théoriquement 5 fois plus élevée que le Li-ion mais en pratique de l’ordre de 2 à 3 fois plus élevée ~ 600 Wh/kg pour le Li-S contre ~ 280 Wh/kg pour le Li-ion), sur le faible coût et l’abondance du soufre. Les limites majeures de cette technologie concernent la complexité des mécanismes réactionnels, les réactions parasites des polysulfures de lithium occasionnant de l’autodécharge et une perte d’efficacité, le régime de charge/décharge limité, la réactivité de l’anode en lithium métal et la nature isolante électrique du soufre. Ces limites font déjà l’objet de nombreux travaux de recherche. • Les principaux risques associés à la technologie Li-S sont identifiés et comparés à ceux des batteries Li-ion dans le chapitre 5, sur la base de nos connaissances actuelles et celles disponibles dans la littérature. En particulier, et de façon similaire aux risques liés à l’utilisation des batteries Li-ion, des conditions inhabituelles et/ou abusives d’utilisation des batteries Li-S peuvent entraîner des fuites d’électrolytes liquides corrosives et toxiques, et/ou un dégagement de fumées avec ou sans inflammation comportant des gaz toxiques et corrosifs. Les différences entre les deux technologies portent essentiellement, pour les batteries Li-S, sur la présence d’une anode en lithium métal et l’utilisation d’une cathode à base de soufre. En effet, l’anode en lithium métal favorise la formation et la croissance de dendrites avec un risque de court-circuit interne qui, s’il est massif, peut mener à des échauffements internes importants et provoquer un feu. L’utilisation d’une cathode à base de soufre peut entraîner la formation potentielle des gaz toxiques spécifiques H2S (également inflammable) et SO2 dans certaines conditions (emballement thermique, par exemple). • Des pistes de réflexion, pour la mise en sécurité des batteries Li-S vis-à-vis des risques identifiés à ce stade, sont indiquées dans le chapitre 6 ; elles portent notamment sur le choix des matériaux, sur le développement d’un Battery Management System fiable et robuste, sur le choix d’une stratégie d’intervention adaptée en cas d’incendie d’une batterie Li-S. Ce rapport s’appuie essentiellement sur les connaissances disponibles dans la littérature à ce jour, étant donné le déploiement commercial encore limité de la technologie Li-S et le faible retour d’expérience à ce stade en termes de résultats d’essais de sécurité sur cette technologie. Une évaluation des risques plus détaillée des batteries Li-S nécessite la réalisation d’essais de sécurité, afin d’évaluer les effets toxiques et thermiques en cas de défaillance. Télécharger
Batteries haute densité énergétique au LI-S : différences avec la technologie LI-ION, évaluation des risques et mise en sécurité Rapports d'appui / guides .pdf 21 janvier 2019 1.88 Mo Description La technologie lithium-soufre (Li-S) est généralement considérée comme la solution « post-Li-ion » privilégiée pour les applications nécessitant une haute densité d’énergie. • Le chapitre 1 présente le contexte général. • Le principe de fonctionnement de cette technologie est décrit dans le chapitre 2. Cette technologie repose sur des mécanismes réactionnels complexes impliquant la conversion du soufre S8 en Li2S, en passant par des espèces intermédiaires actives : les polysulfures de lithium. Ce principe de fonctionnement est différent de la technologie Li-ion qui repose sur l’intercalation d’ions lithium. • Le chapitre 3 montre que la technologie Li-ion devrait rester la technologie de choix pour la prochaine décennie. La commercialisation de masse des batteries Li-S est attendue à horizon 2030, même si à ce jour, des cellules Li-S prototypes sont déjà commercialisées par une entreprise britannique, acteur industriel majeur du marché dans ce domaine. Les marchés visés par la technologie Li-S sont, dans un premier temps, l’aéronautique et le spatial. A plus long terme, la technologie pourrait également équiper des véhicules électriques lourds (camions, bus). La technologie Li-S ne devraient pas gagner le marché des voitures électriques, à moins que des avancées permettant un gain majeur en densité volumique soient réalisées. • Les principaux avantages et limites de la technologie Li-S sont décrits dans le chapitre 4. Les avantages majeurs portent sur l’énergie spécifique (théoriquement 5 fois plus élevée que le Li-ion mais en pratique de l’ordre de 2 à 3 fois plus élevée ~ 600 Wh/kg pour le Li-S contre ~ 280 Wh/kg pour le Li-ion), sur le faible coût et l’abondance du soufre. Les limites majeures de cette technologie concernent la complexité des mécanismes réactionnels, les réactions parasites des polysulfures de lithium occasionnant de l’autodécharge et une perte d’efficacité, le régime de charge/décharge limité, la réactivité de l’anode en lithium métal et la nature isolante électrique du soufre. Ces limites font déjà l’objet de nombreux travaux de recherche. • Les principaux risques associés à la technologie Li-S sont identifiés et comparés à ceux des batteries Li-ion dans le chapitre 5, sur la base de nos connaissances actuelles et celles disponibles dans la littérature. En particulier, et de façon similaire aux risques liés à l’utilisation des batteries Li-ion, des conditions inhabituelles et/ou abusives d’utilisation des batteries Li-S peuvent entraîner des fuites d’électrolytes liquides corrosives et toxiques, et/ou un dégagement de fumées avec ou sans inflammation comportant des gaz toxiques et corrosifs. Les différences entre les deux technologies portent essentiellement, pour les batteries Li-S, sur la présence d’une anode en lithium métal et l’utilisation d’une cathode à base de soufre. En effet, l’anode en lithium métal favorise la formation et la croissance de dendrites avec un risque de court-circuit interne qui, s’il est massif, peut mener à des échauffements internes importants et provoquer un feu. L’utilisation d’une cathode à base de soufre peut entraîner la formation potentielle des gaz toxiques spécifiques H2S (également inflammable) et SO2 dans certaines conditions (emballement thermique, par exemple). • Des pistes de réflexion, pour la mise en sécurité des batteries Li-S vis-à-vis des risques identifiés à ce stade, sont indiquées dans le chapitre 6 ; elles portent notamment sur le choix des matériaux, sur le développement d’un Battery Management System fiable et robuste, sur le choix d’une stratégie d’intervention adaptée en cas d’incendie d’une batterie Li-S. Ce rapport s’appuie essentiellement sur les connaissances disponibles dans la littérature à ce jour, étant donné le déploiement commercial encore limité de la technologie Li-S et le faible retour d’expérience à ce stade en termes de résultats d’essais de sécurité sur cette technologie. Une évaluation des risques plus détaillée des batteries Li-S nécessite la réalisation d’essais de sécurité, afin d’évaluer les effets toxiques et thermiques en cas de défaillance. Télécharger
