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

Le 31 janvier 2017 — Ottawa (Ontario)

Christina Bock, responsable technique du programme Stockage d’énergie pour la sécurisation et la modernisation des réseaux du CNRC

Goldman Sachs l'a rendu célèbre en le qualifiant d'« essence du futur » : il s'agit du lithium, ce métal qui, avec le graphite, se trouve à la base même de la technologie des batteries au lithium-ion. La demande pour ces produits miniers devrait croître de façon soutenue au cours des années et des décennies à venir. En effet, les transports moins polluants gagnent en popularité, et les besoins en stockage de l'énergie des réseaux d'électricité ne cessent de grandir afin d'accommoder la production intermittente d'électricité par des sources renouvelables.

Nouveaux débouchés à l'horizon pour les mines canadiennes de lithium et de graphite

Le Canada est riche en lithium et en graphite de qualité, et il jouit d'une expertise hors du commun en exploitation minière. Pour ce pays, dont la stabilité est propice aux investissements et qui s'est fermement engagé à bâtir une économie vigoureuse à faible empreinte carbone, les nouveaux débouchés offrent une occasion en or.

La demande canadienne en batteries au lithium-ion demeure modeste, en termes absolus. Or, les parties prenantes de l'industrie à tous les maillons de la chaîne de valeurs s'interrogent sur les façons de s'intégrer à ce marché en plein essor en se servant de matériaux comme le graphite et les sels de lithium ou en faisant appel à leur expertise en conception de batteries, ou encore à leurs systèmes de batteries et de gestion des paramètres thermiques.

Le graphite

Environ 136 000 tonnes de graphite ont servi à la fabrication de batteries en 2016, et ce chiffre ne représente d'une fraction de la demande mondiale. La Chine domine le marché du graphite naturel et synthétique et demeure le principal fabricant d'anodes pour les batteries au lithium-ion. Le graphite artificiel coûte presque cinq fois plus cher que son pendant naturel, mais les fabricants de batteries sont prêts à payer la différence pour une qualité plus uniforme. Certes, le graphite naturel peut être concurrentiel, mais la mise au point d'une méthode économique permettant d'obtenir de façon stable la pureté désirée pour les batteries au lithium-ion (99,98 pour cent ou plus) relève du défi.

Le lithium

En 2015, les batteries au lithium-ion représentaient près de 40 pour cent de la consommation totale de lithium, soit plus du décuple du lithium employé pour fabriquer des batteries en 2000. On trouve le plus souvent cet élément sous forme de saumure, qui se traite plus vite, et à moindres frais, que les dépôts de roche dure particuliers au Canada. La hausse des prix devrait néanmoins rendre l'extraction minière plus intéressante. Le lithium qu'on retrouve dans les batteries se présente sous forme de carbonate ou d'hydroxyde. Ici encore, parvenir à la pureté requise (elle doit parfois être supérieure à 99,99 pour cent, selon l'application) par la transformation pose un sérieux problème.

Quant aux batteries au lithium-ion proprement dites, l'amélioration de leur performance et la réduction de leur coût sont des enjeux de premier plan.

Surmonter les obstacles commerciaux et technologiques

Le CNRC investit dans l'élaboration d'une technologie de batteries au lithium-ion depuis plusieurs années déjà à ses laboratoires de Boucherville, d'Ottawa et de Vancouver. Son expertise est unique au Canada. Par ailleurs, sa capacité de collaborer avec les différents membres de la chaîne de valeur se trouvera renforcée durant les mois à venir, car son infrastructure s'enrichira d'une nouvelle installation d'essai pour batteries à Ottawa en 2017, ainsi que d'une chaîne de fabrication de batteries à Boucherville et à London au début de 2018.

En cherchant à parfaire ses connaissances dans le secteur des batteries au lithium-ion, le CNRC a échangé régulièrement avec divers intervenants – des jeunes sociétés minières aux fabricants de piles –, ce qui l'a amené à entreprendre plusieurs projets ponctuels pour combler une lacune ou résoudre un problème technique précis. « Les discussions ont également mis en relief la possibilité et la nécessité de mettre en place des activités de R-D préconcurrentielle articulées sur la collaboration en vue d'aligner, de développer, d'accélérer, d'intégrer ou d'industrialiser les technologies propres aux batteries au lithium-ion ainsi que les sources d'approvisionnement au Canada, à diverses fins », explique Adam Tuck, responsable du programme Stockage de l'énergie. « Elles nous ont aussi aidés à tisser des liens pour qu'une telle collaboration se matérialise. »

Face aux avantages potentiels d'une collaboration plus vaste et mieux coordonnée, le CNRC amorce un projet de R-D industrielle préconcurrentielle avec plusieurs partenaires, notamment un groupe d'industries réceptrices de la chaîne d'approvisionnement canadienne des batteries au lithium-ion. En feront partie des utilisateurs comme des équipementiers et des fabricants de batteries, mais aussi d'autres maillons importants de la chaîne, principalement des producteurs et des fournisseurs de graphite, de graphène, de silicium et de lithium.

Première phase : l'anode

La première phase du projet portera sur l'anode : développement et analyse des spécifications et des caractéristiques du matériau entrant dans la fabrication de l'anode; analyse comparative des matériaux proposés par les membres du groupe et leurs concurrents après caractérisation en laboratoire; fabrication et essai de batteries au lithium-ion; veille technologique sur les dérivés du graphite et les tendances en matière de batteries au lithium-ion.

« Nous poursuivrons aussi le développement d'une anode en composite graphite-silicium afin d'accroître la capacité des batteries », déclare Jean-Yves Huot, chef de l'équipe Technologies de propulsion des véhicules. « La tâche n'est pas aisée, mais le travail est passionnant. Ajouter à l'anode du silicium, ne serait-ce qu'une infime partie, nous permettrait d'en augmenter la capacité. » Le projetDéveloppement de formules pour l'anode des piles à ions lithium à fort contenu canadien en vue d'accroître l'autonomie des véhicules électriques, qui a déjà été approuvé et bénéficie d'une aide financière substantielle de Ressources naturelles Canada ainsi que de six partenaires industriels, sera élargi et intégré à la première phase de l'initiative.

Deuxième phase : la cathode

La deuxième phase débutera environ six mois après la première. Les activités se ressembleront (veille technologique sur les dérivés du lithium et les procédés de fabrication, par exemple), mais on s'attardera aux caractéristiques et aux spécifications des précurseurs, notamment l'hydroxyde et le carbonate de lithium. On procèdera aussi à une analyse comparative des matériaux ainsi que des méthodes de production et d'essai des batteries au lithium-ion, avec rétroaction sur la tolérance des cathodes aux impuretés du matériau et bonification de ce dernier par modification de sa structure et de sa composition.

« Il y a assurément place à amélioration », confirme Christina Bock, responsable technique de projet du programme Stockage de l'énergie. « Il y a une limite au nombre d'électrons que l'on peut tirer d'un matériau, c'est vrai. Mais rien ne dit qu'on ne peut pas fabriquer une batterie qui en utilise davantage. »

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