Des mines pour une économie plus verte (2e partie) : LiBTec

Figure 1: Matières premières des batteries lithium-ion disponibles au Canada

Tout le monde s’entend pour le dire : l’industrie des batteries lithium-ion devrait connaître une croissance exponentielle au cours de la prochaine décennie. Avec cette expansion grandira la demande de matériaux de pointe possédant les propriétés particulières que requiert cette technologie. Dans un article intitulé Des mines pour une économie plus verte : un meilleur stockage de l’énergie au Canada avec le concours des producteurs de lithium et de graphite, publié il y a un an, le Conseil national de recherches du Canada (CNRC) insistait sur la nécessité de mener des activités de R-D pré-concurrentielle articulées sur la collaboration au pays, dans ce domaine.

Ainsi, à l’été 2017, le CNRC a fièrement mis sur pied LiBTec, son Groupe de R-D industrielle sur la technologie des batteries lithium-ion. Le groupe multipartite a pour mission de développer la chaîne d’approvisionnement canadienne du graphite et du lithium, deux matériaux indispensables aux applications des batteries lithium-ion, à un moment crucial dans l’évolution de cette technologie. On ne sera pas étonné d’apprendre que le Canada est idéalement placé pour devenir un chef de file mondial sur ce marché.

La plupart des matières premières servant à fabriquer les batteries lithium-ion abondent partout au pays et on peut les extraire de façon rentable. Le secteur minier canadien possède de surcroît une expérience assez vaste et diverse pour surmonter les difficultés que posent le développement et la production de matériaux techniques répondant aux normes rigoureuses qu’exige l’industrie des batteries.

Depuis le lancement de LiBTec, le CNRC a passablement progressé en posant les bases des recherches sur lesquelles le groupe se concentrera au départ. Il a approché de nombreux intervenants de l’extérieur – des groupes industriels aux administrations publiques locales, en passant par différents membres de l’industrie – afin de former un noyau de pionniers canadiens constitué des producteurs et transformateurs de graphite Mason Graphite et Nouveau Monde Graphite, ainsi que du producteur de graphène NanoXplore. Ce noyau a contribué à orienter les efforts du groupe de R-D collaborative, et le CNRC a utilisé ses précieux conseils pour s’assurer que la chaîne d’approvisionnement cruciale disposerait des ressources et des capacités voulues pour prendre de l’expansion.

Beaucoup de groupes du secteur privé, du gouvernement et du milieu universitaire ont montré un vif intérêt pour ces activités. Lors d’un exposé récent au congrès Québec Mines 2017 animé par Jean Yves Huot et Christina Bock (du CNRC), des experts de 3M, de Tahuti Global et de l’Université de Sherbrooke ont donné leur point de vue sur les liens importants existant entre l’exploitation minière et le développement des batteries lithium-ion.

Grâce à LiBTec, le CNRC s’attaque aux difficultés associées aux matériaux destinés à l’anode et à la cathode de ces batteries.

L’anode

Figure 2: Fonctionnement d’une batterie Li-ion

C’est bien connu : la composition chimique des anodes actuelles limite la performance des batteries. Il faut donc accroître la capacité de l’anode pour créer une batterie lithium-ion en mesure de fournir plus d’énergie. En 2016, le CNRC tenté une percée en entreprenant des recherches sur l’anode silicium-carbone (SiC) de la prochaine génération. L’objectif était de créer un composite en SiC qui optimisera la performance de l’anode. LiBTec profitera directement des résultats de ces travaux grâce aux trois activités principales que voici :

• transformation des flocons de graphite en graphite sphérique revêtu de carbone utilisable dans les batteries;
• essai de l’anode en graphite résultante;
• acquisition d’expertise sur les anodes riches en silicium.

Certains progrès ont déjà été accomplis. En effet, l’équipe de recherche a sélectionné les matériaux bruts qui seront transformés en composites et elle a testé les méthodes antérieures. Elle a ainsi pu comparer une vingtaine de composites prometteurs et est en voie de mettre sur pied une base de données. Par ailleurs, elle a testé de nouveaux additifs pour l’électrolyte et de nouveaux liants avec quelques composites Si-graphite dans l’espoir de ralentir la perte irréversible de capacité et de prolonger au maximum la vie utile de la batterie.

Les premières étapes du projet se résument à une veille technologique qui servira à identifier de nouveaux composites et méthodes de fabrication. Au nombre des autres activités en cours figurent la sélection et la caractérisation des matières premières, la conversion de ces dernières en composites, ainsi que la création et l’évaluation de piles boutons pourvues d’une anode évoluée intégrant de nouveaux liants et additifs. Les matériaux bruts traités dans le cadre de ces travaux initiaux sont disponibles dans le commerce, et les membres de LiBTec fourniront leurs propres matériaux en vue de leur transformation en composites, y compris du graphène destiné aux batteries et du silicium.

La cathode

Fait intéressant : saviez-vous que le CNRC possède le seul spectromètre de masse à décharge luminescente du Canada?

Cet appareil analyse les échantillons solides de manière non destructive, c’est-à-dire sans les dissoudre. Il détermine la pureté de l’échantillon avec grande précision, tout en respectant la norme ISO/IEC 17025, applicable aux laboratoires de calibre mondial.

À l’heure actuelle, le lithium, le manganèse, le cobalt et le nickel employés dans la cathode représentent environ le quart du coût d’une batterie lithium-ion. Face à la demande grandissante en lithium et à l’abondance relative de ce métal essentiel au Canada, les recherches visent principalement à rehausser la pureté, le rendement et le conditionnement du lithium. Le CNRC applique aussi son savoir-faire aux cathodes en nickel-manganèse-cobalt (NMC), en lithium et forte concentration de manganèse (LMR), et en lithium-fer-phosphate (LFP).

On sait qu’à court terme, la demande la plus forte pour les batteries lithium-ion viendra du secteur de l’automobile, et que le coût des batteries devra continuer de baisser si l’on veut que l’industrie les adopte et que le marché poursuive son expansion. Les batteries d’automobile utilisent fréquemment une cathode NMC, mais c’est le cobalt qui en détermine le prix dans une large mesure; on a donc intensifié les recherches afin d’augmenter la teneur en nickel des matériaux destinés aux cathodes NMC et LMR. Les cathodes en lithium-fer-phosphate (LFP) ne fournissent pas autant d’énergie que celles des batteries lithium-ion, mais elles sont plus sûres, ce qui explique pourquoi on les privilégie dans certaines industries, notamment l’exploitation minière souterraine.

Au cours de la dernière décennie, le CNRC a synthétisé et comparé au-delà de 200 matériaux pour cathodes NMC, LMR et LFP grâce aux piles boutons lithium-ion qu’il fabrique lui-même, mais aussi aux dizaines d’années d’expérience qu’il a accumulées sur les composants et les matériaux des batteries lithium-ion. Il a désormais entrepris de transformer les résultats de ses travaux en une base de données que les membres de LiBTec pourront consulter et qu’on utilisera à d’autres fins, notamment pour comparer les échantillons industriels et faire progresser les matériaux des batteries de demain.

Et ensuite?

Le Canada pourrait devenir un meneur mondial dans le développement et l’approvisionnement de matériaux de pointe pour les batteries lithium-ion, et LiBTec pourrait aider votre organisation à nouer des liens, à collaborer à la recherche scientifique et à rester au courant des plus récents développements en la matière. Contactez-nous pour en apprendre davantage sur les façons dont vous pourriez participer.