L'agence ARPA-E (Advanced Research Projects Agency - Energy) a réuni lors de son congrès annuel du 27 au 29 février les meilleures entreprises et laboratoires des Etats-Unis innovants dans le secteur de l'énergie. Envia, entreprise subventionnée à hauteur de 4 millions de dollars [1] par ARPA-E, a annoncé des résultats validant la supériorité de sa technologie de batteries au Lithium-ion, qui proposent une densité énergétique de 400Wh/kg. Cet accomplissement est notable, puisque le niveau atteint est deux fois plus important que la performance moyenne de l'industrie.
ARPA-E summit
L'agence ARPA-E réunissait en ce début d'année la crème de l'écosystème cherchant à développer les nouvelles technologies pour l'énergie. L'évènement rassemblait à la fois chercheurs, entrepreneurs, investisseurs, industriels, représentants du gouvernement. L'objectif est de créer un moment d'émulation dans les communautés de l'industrie et de la recherche dans le domaine de l'énergie, afin que les Etats-Unis soit l'acteur le plus innovant du domaine.
Tous les thèmes de l'énergie étaient abordés et un autre article de notre Bulletin électronique en fait largement le tour. Le sujet du stockage d'énergie, et des batteries en particulier, était largement représenté: une douzaine de sociétés et laboratoires de recherche présentaient leurs technologies pouvant être utilisées dans les véhicules électriques et/ou insérées dans le réseau électrique. On pouvait notamment voir les projets financés dans le cadre du programme dédié d'ARPA-E : BEEST (Batteries for Electrical Energy Storage in Transportation) [2].
C'était l'occasion de montrer que l'innovation dans ce secteur existe, qu'elle est dynamique et qu'elle produira la prochaine génération de batteries. D'après le discours du directeur du Department of Energy (DoE), Steve Chu, " les quatre dernières années ont été fantastiques en matière d'innovation dans les batteries aux Etats-Unis ". Les directeurs de start-ups du milieu renchérissaient lors d'interviews en disant que c'est une réelle explosion qui est en cours. [3]
C'est ce moment qu'Envia, start-up basée dans la baie de San Francisco, a choisi pour annoncer qu'un organisme indépendant a validé les propriétés de sa nouvelle technologie de batterie capable de stocker 400 Wh/kg. D'après la jeune société les premières batteries seront disponibles sur le marché dans les trois prochaines années.
Historique d'envia
La société a été créée en en 2007 par Sujeet Kumar et Michael Sinkula, suite à des recherches menées à Argonne National Lab (dans l'Illinois). L'objectif premier de cette start-up est, depuis le début, de produire des batteries performantes et bon marché spécifiquement pour le marché des véhicules hybrides et électriques. Une première levée de fond de 3,2 M$ a été clôturée fin 2008 pour atteindre le premier défi qui a été le développement de la cathode. Son perfectionnement a permis de doubler la densité énergétique de stockage.
Fin septembre 2009 Envia a clôturé sa deuxième levée de fond de 7,1 M$. Quasiment en parallèle, en novembre, la start-up a reçu un financement de l'ARPA-E de 4 M$ pour le développement de l'anode et avec pour objectif des batteries de 400kWh/kg et l'industrialisation de la production de ses cellules. [1] La troisième série de financement a été clôturée en janvier 2011 pour un montant global de 17M$ dont 7M$ venaient de General Motors ventures (fond d'investissement de GM).
Le test
En ce début d'année 2012, un peu plus de deux ans après la réception de la subvention ARPA-E chez Envia, l'échéance est arrivée et les résultats viennent d'être validés par un organisme indépendant : le département des systèmes électrochimiques de la Naval Surface Warfare Center (NSWC) basé à Crane, Indiana. Des tests à différentes vitesses de cyclages (C/3 et C/10 décharge de la batterie en 3 et 10 heures respectivement) ont confirmé que les batteries d'Envia avaient une densité d'énergie entre 378 et 418Wh/kg. En plus de ces tests sur la vie calendaire, des cellules similaires ont été testées pour évaluer le nombre de cycles de fonctionnement dans les laboratoires d'Envia et ont atteint 300 cycles. Les tests indépendants de NSWC restent encore à venir. [4]
L'objectif de 400Wh/kg fixé par ARPA-E est donc atteint dans les temps. L'industrialisation semble promise à un bel avenir puisque le prix de commercialisation est évalué à 125 $/kWh. Ce succès est d'autant plus important qu'ARPA-E ne finance que des projets très risqués avec peu de chance de réussite, mais un impact très important (High-risk/High-reward) et a attiré les vifs compliments du directeur d'ARPA-E Arun Majumdar: " La nouvelle technologie de batterie d'Envia représente exactement le type d'innovation et de rupture qu'ARPA-E recherche pour le développement de la société et de la recherche américaine ". [5]
L'augmentation habituelle de la densité d'énergie dans l'industrie des batteries est de 5% par an. Par rapport à l'état de l'art, Envia annonce plus qu'un doublement de la densité d'énergie (400 Wh/kg) mais aussi une division par deux du coût de production (125 $/kWh) [5]. A titre de comparaison les voitures électriques les plus commercialisées fin 2010 ont des packs de batteries dont le coût varie entre 375k Wh/kg (modèle " Leaf " de Nissan) et 550 $/kWh (modèle " Volt " de Chevrolet). Elon Musk, directeur de Tesla, lors de l'inauguration de la berline " model X " il y a quelques semaines parlait de la baisse du coût de batteries pour véhicule en dessous de 200$/kWh dans un avenir proche. [6] Si Envia parvient à commercialiser ses packs en 2017 au prix annoncé, la technologie s'inscrirait donc dans les meilleures performances de coût avec en plus un gain considérable en poids.
ARPA-E summit
L'agence ARPA-E réunissait en ce début d'année la crème de l'écosystème cherchant à développer les nouvelles technologies pour l'énergie. L'évènement rassemblait à la fois chercheurs, entrepreneurs, investisseurs, industriels, représentants du gouvernement. L'objectif est de créer un moment d'émulation dans les communautés de l'industrie et de la recherche dans le domaine de l'énergie, afin que les Etats-Unis soit l'acteur le plus innovant du domaine.
Tous les thèmes de l'énergie étaient abordés et un autre article de notre Bulletin électronique en fait largement le tour. Le sujet du stockage d'énergie, et des batteries en particulier, était largement représenté: une douzaine de sociétés et laboratoires de recherche présentaient leurs technologies pouvant être utilisées dans les véhicules électriques et/ou insérées dans le réseau électrique. On pouvait notamment voir les projets financés dans le cadre du programme dédié d'ARPA-E : BEEST (Batteries for Electrical Energy Storage in Transportation) [2].
C'était l'occasion de montrer que l'innovation dans ce secteur existe, qu'elle est dynamique et qu'elle produira la prochaine génération de batteries. D'après le discours du directeur du Department of Energy (DoE), Steve Chu, " les quatre dernières années ont été fantastiques en matière d'innovation dans les batteries aux Etats-Unis ". Les directeurs de start-ups du milieu renchérissaient lors d'interviews en disant que c'est une réelle explosion qui est en cours. [3]
C'est ce moment qu'Envia, start-up basée dans la baie de San Francisco, a choisi pour annoncer qu'un organisme indépendant a validé les propriétés de sa nouvelle technologie de batterie capable de stocker 400 Wh/kg. D'après la jeune société les premières batteries seront disponibles sur le marché dans les trois prochaines années.
Historique d'envia
La société a été créée en en 2007 par Sujeet Kumar et Michael Sinkula, suite à des recherches menées à Argonne National Lab (dans l'Illinois). L'objectif premier de cette start-up est, depuis le début, de produire des batteries performantes et bon marché spécifiquement pour le marché des véhicules hybrides et électriques. Une première levée de fond de 3,2 M$ a été clôturée fin 2008 pour atteindre le premier défi qui a été le développement de la cathode. Son perfectionnement a permis de doubler la densité énergétique de stockage.
Fin septembre 2009 Envia a clôturé sa deuxième levée de fond de 7,1 M$. Quasiment en parallèle, en novembre, la start-up a reçu un financement de l'ARPA-E de 4 M$ pour le développement de l'anode et avec pour objectif des batteries de 400kWh/kg et l'industrialisation de la production de ses cellules. [1] La troisième série de financement a été clôturée en janvier 2011 pour un montant global de 17M$ dont 7M$ venaient de General Motors ventures (fond d'investissement de GM).
Le test
En ce début d'année 2012, un peu plus de deux ans après la réception de la subvention ARPA-E chez Envia, l'échéance est arrivée et les résultats viennent d'être validés par un organisme indépendant : le département des systèmes électrochimiques de la Naval Surface Warfare Center (NSWC) basé à Crane, Indiana. Des tests à différentes vitesses de cyclages (C/3 et C/10 décharge de la batterie en 3 et 10 heures respectivement) ont confirmé que les batteries d'Envia avaient une densité d'énergie entre 378 et 418Wh/kg. En plus de ces tests sur la vie calendaire, des cellules similaires ont été testées pour évaluer le nombre de cycles de fonctionnement dans les laboratoires d'Envia et ont atteint 300 cycles. Les tests indépendants de NSWC restent encore à venir. [4]
L'objectif de 400Wh/kg fixé par ARPA-E est donc atteint dans les temps. L'industrialisation semble promise à un bel avenir puisque le prix de commercialisation est évalué à 125 $/kWh. Ce succès est d'autant plus important qu'ARPA-E ne finance que des projets très risqués avec peu de chance de réussite, mais un impact très important (High-risk/High-reward) et a attiré les vifs compliments du directeur d'ARPA-E Arun Majumdar: " La nouvelle technologie de batterie d'Envia représente exactement le type d'innovation et de rupture qu'ARPA-E recherche pour le développement de la société et de la recherche américaine ". [5]
L'augmentation habituelle de la densité d'énergie dans l'industrie des batteries est de 5% par an. Par rapport à l'état de l'art, Envia annonce plus qu'un doublement de la densité d'énergie (400 Wh/kg) mais aussi une division par deux du coût de production (125 $/kWh) [5]. A titre de comparaison les voitures électriques les plus commercialisées fin 2010 ont des packs de batteries dont le coût varie entre 375k Wh/kg (modèle " Leaf " de Nissan) et 550 $/kWh (modèle " Volt " de Chevrolet). Elon Musk, directeur de Tesla, lors de l'inauguration de la berline " model X " il y a quelques semaines parlait de la baisse du coût de batteries pour véhicule en dessous de 200$/kWh dans un avenir proche. [6] Si Envia parvient à commercialiser ses packs en 2017 au prix annoncé, la technologie s'inscrirait donc dans les meilleures performances de coût avec en plus un gain considérable en poids.
Coût des différentes technologies des batteries en fonction de leur densité d'énergieCrédits : Envia Systems
Technologie
Cette rupture technologique a été possible grâce à l'amélioration de tous les composants de la batterie :
- Cathode : premier axe de recherche d'Envia, basé sur une des recherches de l'Argonne National lab utilisant Nickel, Cobalt, Manganèse et un oxyde de lithium manganèse. L'innovation est venue de la structure de l'anode à l'échelle cristallographique, nanoscopique (nano-couche améliorant la cyclabilité) et microscopique.
- Anode : développée dans un second temps grâce à la subvention de l'ARPA-E, l'anode en carbone et silicium, permet grâce à une nanostructure d'atteindre une capacité de stockage importante : 1530 mAh/g.
- Electrolyte : la cathode ayant un potentiel élevé, un électrolyte plus stable que les standards actuels était nécessaire. Envia a réussi à mettre au point un électrolyte stable et sans dégradation rapide jusqu'à 5,2 V.
Vue d'une partie de cahtodeCrédits : Envia Systems
Suite
Atul Kapadia, directeur d'Envia, estime qu'il faudra environ 5 à 6 ans pour avoir un pack de batterie pour véhicule avec des cellules à 400W/kg, avec tout le système de gestion de charge et de refroidissement. [7] Envia pourrait même atteindre des densités de stockage encore plus importantes mais jusqu'a une certaine limite : plus grande densité rime en général avec plus faible puissance, et une optimisation est donc nécessaire pour ne pas réduire la performance globale du véhicule. (Une batterie plus puissante aura besoin de surfaces de contacts importante et donc d'un ratio volume d'électrode sur volume d'électrolyte plus faible).
La prochaine révolution dans le domaine des batteries sera probablement aussi une rupture (multiplication de la densité énergétique) et viendra d'un autre type de technologie que le lithium-ion. ARPA-E investit déjà sur ce type de projets : Polyplus (Lithium-Air) et Pellion (Magnesium-ion) en sont de bons exemples.
Du côté du marché Envia a donc annoncé qu'il était possible de voir les coûts des packs de batteries de véhicules électriques divisés par deux d'ici 2014-2015. Cette rupture va-t-elle avoir un impact sur le développement des véhicules électriques ? Cela poussera-t-il les utilisateurs avisés à attendre 2016 pour faire la transition vers l'électrique ? General Motors va-t-il avoir un nouvel avantage compétitif grâce à son investissement chez Envia ?
Note : La mission pour la science et la technologie de l'ambassade de France aux Etats-Unis envisage d'organiser en juin 2012 une mission aux Etats-Unis sur le thème du stockage énergétique pour les transports. Les chercheurs, ingénieurs et entrepreneurs, qu'ils soient dans le secteur public ou privé, sont invités à manifester leur intérêt à l'adresse science@consulfrance-sanfrancisco.org en indiquant si possible leur préférence parmi les sujets suivants :
- recherche universitaire et industrielle sur les anodes, cathodes et électrolytes ;
- méthodes de tests des cellules et packs ;
- prototypage rapide de cellules ;
- analyse des données utilisateurs en conditions réelles ;
- mécanismes de financement de la R&D aux Etats-Unis ;
- mécanismes de transfert de technologie des laboratoires nationaux vers le privé.
ORIGINE : BE Etats-Unis numéro 280 (2/03/2012) - Ambassade de France aux Etats-Unis / ADIT - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/69280.htm
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