Clés de progrés technico-économiques des batteries lithium-ion pour la traction automobile

Technical and economic analysis of lithium-ion batteries for electric vehicles

• Auteur / Autrice : Gaëtan Patry
• Direction : Daniel Froelich, Sébastien Martinet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie industriel
• Date : Soutenance le 16/12/2014
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Conception de Produits et Innovation (LCPI) - Laboratoire Conception de Produits et Innovation
• Jury : Président / Présidente : Rachid Yazami
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Froelich, Sébastien Martinet, Patrick Jochem, Farouk Tedjar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Aggeri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lithium -- Alliages

Innovation

Automobiles -- Conception et construction

Mots clés libres

Modélisation

Coût

Lithium-Ion

Automobile

Innovation

Conception

Modelling

Cost

Lithium-Ion

Car

Innovation

Design

Résumé

Les véhicules électriques et hybrides présentent des avantages considérables qui les rendent attrayants, mais ont un coût élevé limitant leur succès. Ce travail a pour but de contribuer à la baisse du coût des batteries lithium-ion, inducteur majeur du prix des véhicules électriques, en proposant et en évaluant des pistes d'optimisation. Pour cela, une visibilité fiable et détaillée de la structure de coût de ces batteries est un prérequis. C'est pourquoi une méthodologie de modélisation des coûts des batteries lithium-ion en lien avec la conception technique, ainsi que des référentiels économiques sur le procédé de fabrication et les matières ont été mis au point. La modélisation présentant une part d'incertitude, une méthode innovante d'évaluation de celle-ci a aussi été développée. L'utilisation de ce modèle de coût a permis la détection et l'évaluation de piste de progrès. Ainsi, une piste de progrès notable soulevée dans cette thèse porte sur un paramètre de conception négligé dans la littérature : l'épaisseur d'enduction de l'électrode. Ce modèle a aussi permis de confirmer un point déjà remarqué dans plusieurs publications : le poids considérable des matériaux actifs dans le coût total. Pour comprendre les raisons de ce fait, un modèle de coût de ces composés a été développé et a permis de mettre en lumière des voies de réduction. In fine, ce travail propose pour la première fois une modélisation détaillée jusqu'aux précurseurs des matériaux actifs de la structure de coût des batteries lithium-ion et indique des leviers de réduction. Ceci constitue un résultat remarquable, offrant de nouvelles clés pour l'optimisation technico-économique des batteries lithium-ion pour la traction automobile.

Electric and hybrid vehicles are particularly attractive. They offer several advantages, but at a high cost, which explains their current limited success. The purpose of this work is to contribute to the cost reduction of lithium-ion batteries, the main cost factor in electric vehicles. For the evaluation of cost reduction solutions, a clear and detailed comprehension of the structure of the battery cost is required. A complete environment for the cost modelling of cells for lithium ion batteries has also been developed: two cost models and two databases. This environment is made in order to precisely calculate the cost of a battery using the design parameters. Since there are uncertainties surrounding the cost modelling, an innovative method for the assessment of this uncertainty has also been developed. Using the cost model, several ways of improvement for lithium-ion batteries have been detected and quantified. Thus, a way to reduce the cost evaluated in this work is concerned with a design parameter neglected in the literature: the electrode coating thickness. This model has also confirmed a point already suggested on several papers: the preponderance of active materials on overall cost of lithium-ion batteries. To understand the reasons behind this fact, a cost model for active materials has been developed. New ways of cost reduction have been highlighted with this model. Finally, this work proposes for the first time a complete modelling of cells for lithium-ion batteries, detailed up to materials precursors. It also indicates several ways to reduce the cost of these batteries. This work gives to the community a comprehensive view on the cost structure, essential for the optimization of lithium-ion batteries.