2 Construction du MPE Batterie Li-ion
2.1 Identification des acteurs et des paramètres de conception : MP Batterie Li-ion. 77
La première étape de la construction du MPE pour des batteries Li-ion consiste à identifier des paramètres de conception et à les associer aux acteurs du cycle de vie. Pour cela, le MP de Gaucheron (Gaucheron, 2000) est utilisé. Il est composé d’un modèle de connaissances qui s’inscrit dans un modèle de données. Le modèle de connaissances représente la description détaillée du produit, depuis les points de vue des acteurs. Le modèle de données ordonne ces informations.
2.1.1 Construction du MP Batterie Li-ion
Dans la suite nous allons montrer la construction d’un MP pour une batterie Li-ion d’une application véhicule électrique. La méthodologie suivie est celle de la bibliographie, qui est synthétisée dans la section 3.1 du Chapitre 3.
2.1.1.1 Modèle de données du MP Batterie Li-ion
Le modèle de données est composé de plusieurs « vues », reflétant chacune le « point de vue » de chaque acteur ou d’un enjeu en particulier. Dans le cas d’une batterie Li -ion, nous avons modélisé la vue générale composants, celle de la fabrication, du recyclage, la vue
économique et la vue performance (voir Figure 3.3). Ces vues sont expliquées dans la section 3.1.1 du Chapitre 3.
La vue environnement n’est pas considérée dans le MP originel de Gaucheron. Cette vue sera créée et intégrée dans le MP dans la section 2.3.
Une fois les vues du modèle de données définies, les acteurs peuvent commencer à les renseigner avec leurs informations sur la batterie. On s’intéresse alors au modèle de connaissances.
2.1.1.2 Modèle de connaissances du MP Batterie Li-ion
Le modèle de connaissances se base sur le savoir des acteurs du cycle de vie de la batterie, savoir qu’ils vont tenter d’inscrire dans le modèle de données. Les cinq vues : composants, fabrication, recyclage, économique et performance, sont montrées Figure 4.1. Elles sont renseignées à partir des informations des acteurs et formalisées en utilisant un lexique spécifique : composants et liens (les relations ne sont pas représentées pour faciliter la compréhension visuelle du modèle). Les composants sont représentés par des rectangles et les liens par des ellipses. Les informations recueillies ici dans le MP Batterie Li-ion sont issues des données de la bibliographie. Dans une situation réelle, les acteurs (=utilisateurs du MP) renseigneraient eux-mêmes ces informations, selon leur « point de vue ».
Les paramètres modifiables sont marqués en gras dans le modèle produit. Dans le MP de Gaucheron ce concept de paramètre modifiable n’existait pas. Nous l’avons ajouté, car dans le cas des impacts environnementaux, il arrive assez fréquemment que les impacts soient causés par des choix qui sont peu ou pas modifiables par les concepteurs (Cf. mix énergétique d’un pays). Dans la suite de ce sous-chapitre chaque vue sera commentée.
Dans la vue générale des composants (Figure 4.2), les éléments de la cellule Li-ion sont représentés. Pour faciliter la lecture et la compréhension les composants auxiliaires de la batterie (carte informatique, système de refroidissement, etc.) ne sont pas représentés. La cellule Li-ion est composée de la cathode, de l’anode, de l’électrolyte, du séparateur et du boitier métallique. Ces sous-composants peuvent être aussi décomposés, par exemple la cathode est constituée d’une électrode et du matériau actif cathodique.
Le matériau actif cathodique (technologie Li-ion) est un paramètre modifiable. Cela veut dire que le concepteur peut choisir entre plusieurs valeurs de ce paramètre lors de la conception. Dans ce cas les alternatives renseignées sont les technologies LFP et NCM.
Ces composants peuvent être décrits par des caractéristiques — des paramètres de conception — qu’on appelle des « liens ». Par exemple, l’électrode cathodique peut être décrite par plusieurs liens dans cette vue : matériau, masse, dimensions, etc. Evidemment d’autres liens peuvent être considérés. Ces liens peuvent se combiner pour créer d’autres liens : la densité surfacique est une combinaison de la masse et des dimensions de l’électrode.
La vue fabrication de la batterie Li-ion (Figure 4.2) est la description technique de cette étape, elle représente les intérêts du fabricant. Elle comprend la fabrication des composants (cathode, anode, électrolyte, séparateur et boitier cellulaire) et leur assemblage ultérieur pour créer la cellule Li-ion. La fabrication de chaque composant est détaillée, tenant compte à la fois des matériaux et des énergies nécessaires pour le traitement ainsi que des déchets créés et des pertes énergétiques des différents procédés.
Par exemple la fabrication de la cathode est divisée en fabrication de l’électrode et en fabrication du matériau actif cathodique. La fabrication de l’électrode est définie par la consommation énergétique du procédé, la dimension de l’électrode et sa masse. Bien sûr, d’autres caractéristiques pourraient être ajoutées, mais pour illustrer la construction du MP E ces caractéristiques sont suffisantes. Ces caractéristiques sont des « liens », elles sont représentées par des ellipses.
Les paramètres modifiables de cette vue sont le matériau actif cathodique (technologie Li-ion LFP ou NCM), le type de traitement de fabrication pour la technologie LFP (traitement « hydrothermal » ou traitement « solid-state »), le type de solvant de fabrication à utiliser dans le traitement (NMP ou solvant aqueux) et le lieu de fabrication de la cellule (en Chine ou en France).
Figure 4.2. Vue générale et vue fabrication du modèle produit d’une batterie Li-ion.
La vue recyclage (Figure 4.3) est construite de la même façon que la vue fabrication. Elle décrit depuis un point de vue technique les traitements de recyclage des cellules Li-ion. Le procédé de recyclage dépend des matériaux à récupérer et il est fonction des matériaux actifs cathodiques (voir section 2.3.2 du Chapitre 2). Le type de traitement de recyclage est un paramètre modifiable, le recycleur peut choisir entre un traitement pyrométallurgique ou hydrométallurgique, ayant chacun une consommation énergétique et matérielle différente et une gamme différente de matériaux à récupérer. La pyrométallurgie est un traitement à haute température, plus consommateur d’énergie qu’un traitement hydrométallurgieque, et peut seulement servir à récupérer, pour le cas d’une batterie Li-ion LFP, le cuivre. L’hydrométallurgie permet de récupérer le cuivre, l’aluminium et les sels de lithium. Aucun des deux traitements ne permet pas de récupérer le matériau actif LFP. L’autre paramètre modifiable dans cette vue est le taux de récupération des métaux recyclés (RR%). Dans le cas
d’une batterie NCM (non représentée sur la Figure 4.2) les métaux onéreux du matériau actif (nickel et cobalt) sont récupérables par les deux traitements de recyclage.
Figure 4.3. Vue recyclage du modèle produit d’une batterie Li-ion.
La vue performance (Figure 4.4) tient compte des composants de la cellule Li-ion qui affectent directement cet enjeu. La performance de la batterie Li-ion est un terme très vaste pour désigner sa durée de vie, sa puissance, sa capacité etc. Cette vue est à peine renseignée car dans cette thèse nous nous intéressons plutôt aux enjeux environnementaux. Néanmoins cette vue est importante, mais nous n’avons pas toutes les connaissances pour la renseigner avec précision.
La vue économique (Figure 4.4) prend en compte les coûts de fabrication et de recyclage de la cellule ainsi que les revenus du recyclage. Elle tient compte des conséquences économiques des choix de conception. Cette vue, dans cet exemple, est renseignée de façon superficielle, avec des données fictives. Les couts de fabrication dépendent en grande partie du choix de matériau actif cathodique. Chaque type de traitement de fabrication a un coût différent à cause des consommations énergétiques et matériaux différents. De la même façon chaque type de traitement de recyclage présente des coûts différents. Les choix du solvant de fabrication et du lieu de fabrication ont une influence notable sur les coûts de fabrication. Le taux de récupération de métaux en fin-de-vie conditionne les coûts et les revenus du recyclage.
Les revenus du recyclage sont principalement conditionnés par les matériaux de fabrication de la cellule Li-ion (matériaux qui peuvent être récupérés et puis vendus), qui sont fonction de la technologie Li-ion (type de matériau actif cathodique). Le prix de ces éléments varie fortement entre technologies. Le cuivre est aussi une source importante de revenus pour le recycleur. Le taux de récupération de ce métal (RR%Cu) a une influence sur les revenus.
Figure 4.4. Vue performance et vue économique du modèle produit d’une batterie Li-ion.
Dans la section suivante les enjeux environnementaux sont étudiés pour permettre la construction de la vue environnement.