# Etat de l'art sur le recyclage et le réemploi des batteries

Association Record, F. Sanchez

► To cite this version:

Association Record, F. Sanchez. Etat de l'art sur le recyclage et le réemploi des batteries. n°17-0915/1A, RECORD. 2019, pp.175. hal-05072131

HAL Id: hal-05072131

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Submitted on 26 May 2025

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# Recyclage et réemploi des batteries

## Etat de l'art

<figure><img src="image_2.png" /></figure>
# ETAT DE L'ART SUR LE RECYCLAGE ET LE REEMPLOI DES BATTERIES

## RAPPORT FINAL

### juillet 2019

F. SANCHEZ - RECY'STEM PRO

Recyclé en PRO
Créée en 1989 à l'initiative du Ministère en charge de l'Environnement, l'association RECORD – REseau COopératif de Recherche sur les Déchets et l'Environnement – est le fruit d'une triple coopération entre industriels, pouvoirs publics et chercheurs. L'objectif principal de RECORD est le financement et la réalisation d'études et de recherches dans le domaine des déchets et des pollutions industrielles.

Les membres de ce réseau (groupes industriels et organismes publics) définissent collégialement des programmes d'études et de recherche adaptés à leurs besoins. Ces programmes sont ensuite confiés à des laboratoires publics ou privés.

### Avertissement :

Les rapports ont été établis au vu des données scientifiques et techniques et d'un cadre réglementaire et normatif en vigueur à la date de l'édition des documents.

Ces documents comprennent des propositions ou des recommandations qui n'engagent que leurs auteurs. Sauf mention contraire, ils n'ont pas vocation à représenter l'avis des membres de RECORD.

* ✓ Pour toute reprise d'informations contenues dans ce document, l'utilisateur aura l'obligation de citer le rapport sous la référence :

**RECORD**, Etat de l'art sur le recyclage et le réemploi des batteries, 2019, 175 p, n°17-0915/1A

* ✓ Ces travaux ont reçu le soutien de l'ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie)

www.ademe.fr

### Comité de suivi de l'étude :

Fabrice ABRAHAM – RENAULT, Gérard ANTONINI – RECORD, Raphael BRIERE – ENGIE, Jean-Paul CAZALETS – TOTAL, Bertrand CHERPIN – RENAULT, Bénédicte COUFFIGNAL – RECORD, Laure DALLEM – MTES, Sylvain DURÉCU – TREDI, Marc FERREOL – SUEZ, Jade GARCIA – SCORE LCA, Olga KERGARAVAT – ADEME, Lyse LONGUEVILLE – SUEZ, Hervé ROMANO – EDF, Clémence SIRET – SAFT

© RECORD, 2019
## RESUME

L'étude se situe sur un périmètre mondial et différencié sur quatre zones géographiques principales : Chine, Etats-Unis, Europe et Japon.

Elle propose dans un premier temps un état de l'art du marché des batteries en étudiant notamment les différentes technologies et les dynamiques de croissance des marchés utilisateurs.

Une deuxième partie se penche sur les enjeux liés à la réglementation, l'éco-conception, la sécurité, la seconde vie et le cout et la disponibilité des métaux qui conditionnent en partie le marché des batteries mais surtout le marché de leur recyclage.

Une troisième partie permet de faire un état de l'art du recyclage des batteries à travers une description générale des procédés, une cartographie des principaux acteurs du recyclage, une description détaillée de quelques procédés spécifiques et enfin une analyse de la stratégie des acteurs vis-à-vis de la filière de recyclage.

La dernière partie offre enfin une vision prospective afin d'évaluer au travers de plusieurs scénarii, les volumes de batteries en fin de vie sur la période allant jusqu'en 2030 et discuter de l'adéquation des capacités de recyclage.

## MOTS CLES

BATTERIES, RECYCLAGE, LITHIUM-ION, BMS, VEHICULE ELECTRIQUE, REGLEMENTATION, REEMPLOI, SECONDE VIE, ECO-CONCEPTION, IMPACT ENVIRONNEMENTAL, METAUX STRATEGIQUES, PYRO-METALLURGIE, HYDROMETALLURGIE, PROCEDE DE VALORISATION DIRECTE.

---

## SUMMARY

The study covers on a worldwide perimeter and differentiates four main geographical areas: China, United States, Europe and Japan.

It first proposes a state of the art on battery market by studying the different technologies and growth dynamics of user markets.

Secondly it focuses at the issues related to regulations, eco-design, security, second life and the cost and availability of metals that partly condition the battery market but more significantly the market for their recycling.

A third part allows to make a state of the art on battery recycling, through a general description of the processes, a mapping of the main actors of recycling, a detailed description of some specific processes and finally an analysis of the strategy of the stakeholders involved regarding the recycling sector.

The last part finally offers a prospective vision to evaluate, through several scenarios, the battery volumes at the end of life over a period until 2030 and discusses the adequacy of recycling capacities.

## KEY WORDS

BATTERIES, RECYCLING, LITHIUM-ION, BMS, ELECTRIC VEHICLE, REGULATIONS, RE-EMPLOYMENT, SECOND LIFE, ECO-DESIGN, ENVIRONMENTAL IMPACT, STRATEGIC METALS, PYRO-METALLURGY, HYDROMETALLURGY, DIRECT RECOVERY PROCESS.
Table des matières

<table><tr><td>1</td><td>Etat du marché des batteries</td><td>8</td></tr><tr><td>1.1</td><td>Le marché des batteries à travers leurs applications</td><td>8</td></tr><tr><td>1.2</td><td>Analyse comparative des principales technologies de batteries mises sur le marché</td><td>11</td></tr><tr><td>1.2.1</td><td>Diagramme de Ragone</td><td>11</td></tr><tr><td>1.2.2</td><td>Critères de comparaison liés à la performance</td><td>12</td></tr><tr><td>1.2.3</td><td>Autres critères de comparaison (Hors performance)</td><td>13</td></tr><tr><td>1.2.4</td><td>Critères complémentaires</td><td>13</td></tr><tr><td>1.2.5</td><td>Bilan et discussion concernant les avantages et inconvénients des principales technologies de batteries actuellement sur le marché</td><td>14</td></tr><tr><td>1.2.6</td><td>Les systèmes de stockage électrochimiques alternatifs</td><td>19</td></tr><tr><td>1.3</td><td>Les grandes tendances du marché des applications et impact sur le marché des batteries</td><td>28</td></tr><tr><td>1.3.1</td><td>Croissance du marché des batteries (1990 – 2016)</td><td>28</td></tr><tr><td>1.3.2</td><td>Dynamiques de croissance en fonction des domaines d'applications</td><td>29</td></tr><tr><td>1.3.3</td><td>Dynamique de croissance de la technologie Li-ion et potentiel d'émergence de technologies concurrentes</td><td>32</td></tr><tr><td>1.4</td><td>Conclusion sur l'évolution du marché des batteries en volume</td><td>35</td></tr><tr><td>1.5</td><td>Les acteurs du marché des batteries</td><td>38</td></tr><tr><td>2</td><td>Enjeux et déterminants du marché des batteries et de leur recyclage</td><td>41</td></tr><tr><td>2.1</td><td>Synthèse réglementaire</td><td>41</td></tr><tr><td>2.2</td><td>Etat des lieux sur l'Ecoconception</td><td>48</td></tr><tr><td>2.2.1</td><td>Définition</td><td>48</td></tr><tr><td>2.2.2</td><td>Ecoconception, recyclabilité et réglementation européenne</td><td>49</td></tr><tr><td>2.2.3</td><td>Etat des lieux et perspectives</td><td>50</td></tr><tr><td>2.3</td><td>Etat des lieux sur la sécurité des batteries Lithium</td><td>52</td></tr><tr><td>2.3.1</td><td>Batteries Lithium-Métal Polymère</td><td>52</td></tr><tr><td>2.3.2</td><td>Batteries au Lithium ionique</td><td>53</td></tr><tr><td>2.3.3</td><td>Gestion de la sécurité dans les installations de recyclage des batteries Li-ion</td><td>55</td></tr><tr><td>2.4</td><td>Seconde vie</td><td>56</td></tr><tr><td>2.4.1</td><td>Des difficultés techniques</td><td>58</td></tr><tr><td>2.4.2</td><td>Des difficultés économiques</td><td>59</td></tr><tr><td>2.4.3</td><td>Des difficultés réglementaires</td><td>60</td></tr><tr><td>2.5</td><td>Couts et disponibilités des métaux</td><td>61</td></tr><tr><td>2.5.1</td><td>Le Lithium</td><td>62</td></tr><tr><td>2.5.2</td><td>Le Nickel</td><td>65</td></tr><tr><td>2.5.3</td><td>Le Cobalt</td><td>67</td></tr><tr><td>2.5.4</td><td>Conclusion sur le cout et la disponibilité des métaux</td><td>70</td></tr><tr><td>3</td><td>Les procédés de recyclage des batteries</td><td>71</td></tr></table>
<table>
  <tr>
    <td>3.1</td>
    <td>Introduction</td>
    <td>71</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.2</td>
    <td>Généralités sur les procédés de recyclage des batteries</td>
    <td>71</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.3</td>
    <td>Les principales étapes des procédés de recyclage des batteries</td>
    <td>72</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.3.1</td>
    <td>Séparation des flux</td>
    <td>72</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.3.2</td>
    <td>Préparation ou prétraitement</td>
    <td>73</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.3.3</td>
    <td>Procédé de valorisation directe</td>
    <td>74</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.3.4</td>
    <td>Procédés Pyro-métallurgiques</td>
    <td>74</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.3.5</td>
    <td>Procédés Hydro-métallurgiques</td>
    <td>75</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.4</td>
    <td>Comparaison des procédés de recyclage et impacts environnementaux</td>
    <td>77</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.5</td>
    <td>Les procédés de recyclage des batteries Ni-Cd</td>
    <td>78</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.5.1</td>
    <td>Traitement par distillation</td>
    <td>78</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.5.2</td>
    <td>Traitement par hydrométallurgie</td>
    <td>78</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.6</td>
    <td>Les procédés de recyclage des batteries Ni-MH</td>
    <td>79</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.6.1</td>
    <td>Procédés pyro-métallurgiques</td>
    <td>79</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.6.2</td>
    <td>Procédés hydro-métallurgiques</td>
    <td>79</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.7</td>
    <td>Les procédés de recyclage des batteries Li-ion</td>
    <td>80</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.7.1</td>
    <td>Procédés pyro-métallurgiques</td>
    <td>81</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.7.2</td>
    <td>Procédés hydro-métallurgiques</td>
    <td>81</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.8</td>
    <td>Quelques éléments concernant l'économie du recyclage des batteries Li-ion</td>
    <td>81</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.9</td>
    <td>Les acteurs du recyclage de batteries</td>
    <td>82</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.10</td>
    <td>Recyclage des batteries Li-ion et stratégie des acteurs</td>
    <td>86</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.11</td>
    <td>Les procédés de recyclage face à l'évolution des technologies Li-ion</td>
    <td>90</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.12</td>
    <td>R&D, quels enjeux prioritaires ?</td>
    <td>91</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>3.13</td>
    <td>Conclusions sur les procédés de recyclage</td>
    <td>92</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>4</td>
    <td>ANALYSE PROSPECTIVE</td>
    <td>94</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>4.1</td>
    <td>Méthodologie générale</td>
    <td>94</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>4.2</td>
    <td>Etat des lieux du marché mondial des batteries Li-ion</td>
    <td>96</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>4.2.1</td>
    <td>Véhicules électriques légers – VEH (particuliers et utilitaires)</td>
    <td>96</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>4.2.2</td>
    <td>Les bus électriques</td>
    <td>99</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>4.2.3</td>
    <td>Autres équipements</td>
    <td>100</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>4.2.4</td>
    <td>Conclusion sur l'état des lieux du marché des batteries Li-ion</td>
    <td>100</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>4.3</td>
    <td>Scenarii d'évolution du marché des batteries Li-ion</td>
    <td>101</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>4.3.1</td>
    <td>Discussion préliminaire sur le futur du marché des VEH</td>
    <td>101</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>4.3.2</td>
    <td>Prévisions du marché global des VEH</td>
    <td>107</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>4.3.3</td>
    <td>Prévisions du marché des bus électriques</td>
    <td>112</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>4.3.4</td>
    <td>Prévision du marché des autres équipements</td>
    <td>113</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>4.4</td>
    <td>Scenarii d'évolution des volumes de batteries Li-ion en fin de vie et prévision du marché du recyclage</td>
    <td>114</td>
  </tr>
  <tr>
    <td>4.4.1</td>
    <td>Rappel méthodologique</td>
    <td>114</td>
  </tr>
</table>
<table><tr><td>4.4.2</td><td>Equivalence entre capacité de stockage et poids moyen des batteries pour les VEH et Bus électriques</td><td>114</td></tr><tr><td>4.4.3</td><td>Equivalence entre capacité de stockage et poids moyens des batteries pour les autres équipements</td><td>115</td></tr><tr><td>4.4.4</td><td>Durée de vie et profils de fin de vie</td><td>116</td></tr><tr><td>4.4.5</td><td>Potentiel de seconde vie</td><td>118</td></tr><tr><td>4.4.6</td><td>Estimation des volumes de batteries Li-ion en fin de vie selon les zones géographiques</td><td>120</td></tr><tr><td>4.4.7</td><td>Adéquation des capacités de recyclage</td><td>126</td></tr><tr><td colspan="2">CONCLUSION</td><td>129</td></tr><tr><td colspan="2">ANNEXE 1 : Généralités techniques sur les batteries</td><td>131</td></tr><tr><td colspan="2">ANNEXE 2 : Restrictions réglementaires concernant la composition des batteries dans l'UE</td><td>139</td></tr><tr><td colspan="2">ANNEXE 3 : Technologies peu utilisées</td><td>140</td></tr><tr><td colspan="2">ANNEXE 4 : Batteries du futur</td><td>143</td></tr><tr><td colspan="2">ANNEXE 5 : Repères chiffrés</td><td>149</td></tr><tr><td colspan="2">ANNEXE 6 : Variétés des compositions des batteries Li-ion</td><td>150</td></tr><tr><td colspan="2">ANNEXE 7 : Description des procédés de recyclage des batteries Li-ion</td><td>155</td></tr><tr><td colspan="2">ANNEXE 8 : Bibliographie</td><td>173</td></tr></table>
# Introduction

Ce document constitue le rapport final concernant l'état de l'art relatif au recyclage et au réemploi des batteries.

La première partie propose une analyse de l'état du marché des batteries :

* Description du marché des batteries à travers ses technologies, ses applications et ses acteurs

* Présentation des technologies dominantes, émergentes et analyse des potentiels de développement en fonction des dynamiques du marché des applications.

Ces éléments permettent dans un premier temps, de conclure que les enjeux en matière de recyclage des batteries dans les années à venir se concentrent sur la technologie Li-ion.

Une deuxième partie fait le point sur les déterminants du marché du recyclage des batteries et en particulier la réglementation, les pratiques d'éco-conception, la sécurité (batteries Li-ion), la seconde vie (batteries Li-ion) et enfin le cout et la disponibilité des métaux stratégiques pour la fabrication des batteries (nickel, Cobalt, Lithium)

Une troisième partie aborde les technologies de recyclage en présentant les trois principales voies de recyclage (valorisation directe, pyrométallurgie et hydrométallurgie). Cette partie propose également un éclairage sur la stratégie des acteurs en matière de positionnement sur la chaine de valeur du recyclage. Nous montrons notamment comment le contexte industriel et réglementaire détermine en grande partie ces stratégies sur les zones géographiques étudiées. Cette partie est complétée par L'ANNEXE 7 qui décrit en détail les procédés des principaux acteurs ou les procédés ayant valeur d'exemplarité.

Enfin, dans une approche prospective, la dernière partie évalue les quantités de batteries arrivant en fin de vie jusqu'en 2030 pour les comparer aux capacités actuelles de recyclage.
# 1 Etat du marché des batteries

Les batteries sont utilisées pour de multiples applications et le service attendu par celles-ci est variable. Ainsi, on ne peut pas aborder le marché des batteries sans aborder le marché des applications.

Dans cette partie, nous proposons donc en premier lieu et à titre indicatif, une photographie du marché des batteries segmenté en fonction des applications. Et pour chaque segment du marché des applications nous proposons une estimation des parts de marché des principales technologies de batteries correspondantes.

Dans un second temps, nous présentons une analyse comparative des technologies de batteries qui dominent actuellement le marché. En mettant en évidence les avantages et inconvénients de ces technologies, nous verrons que leur périmètre d'interchangeabilité est limité. Cette approche nous permettra de comprendre les déterminants de leur adoption par le marché et nous aidera par la suite pour évaluer le potentiel de développement des différentes technologies de batteries (y compris les technologies émergentes) en fonction du développement prévisible des marchés d'application.

Bien que les batteries au plomb/acide soient exclues du champ de l'étude, on ne peut pas les ignorer dans cette partie qui consiste à décrire le marché des batteries, comprendre sa dynamique et ses déterminants. En effet, cette technologie reste prépondérante dans de nombreux domaines d'application. Dans la perspective d'évaluer le marché futur des batteries, il est impératif de comprendre les atouts de cette technologie pour démontrer que les batteries plomb/acide conserveront probablement à moyen terme une place prépondérante quels que soient les progrès effectués sur les autres technologies de batterie.

## 1.1 Le marché des batteries à travers leurs applications

Sur le marché des applications une batterie n'a pas toujours la même fonction. Il est possible d'aborder le service attendu selon trois approches :

* Mobile versus Stationnaire

Les batteries pourront être utilisées pour des applications mobiles (type véhicules électriques, équipements portables, outillage sans fil) ou stationnaires (stockage sur réseau). Pour des applications mobiles, la densité d'énergie est un critère particulièrement important puisqu'une densité d'énergie importante permettra de limiter le poids des batteries embarquées.

* Cyclage versus secours

En cyclage, une batterie subira des cycles de charge et décharge réguliers lors de son utilisation. En secours, l'accumulateur ne sera sollicité qu'en cas de coupure du réseau d'alimentation principal. De ce fait, on peut noter que pour une utilisation en secours, la cyclabilité peut devenir un critère secondaire alors qu'il est essentiel pour une application en cyclage.

* Puissance versus Energie<fnref n="1" />

Un fonctionnement « en puissance » exige de la batterie la capacité de renvoyer une forte intensité en peu de temps. Un fonctionnement « en énergie » exige une forte capacité de stockage afin de pouvoir délivrer un courant de moindre intensité mais sur une longue durée. L'aptitude à délivrer de la puissance varie avec la technologie de batterie.

<footnote n="1">¹ Voir le diagramme de Ragone en 2.2.1</footnote>
De plus, pour une technologie donnée, il existe des versions optimisées en puissance ou en énergie en fonction des applications de destination. Par exemple on maximisera la puissance pour des outils électroportatifs ou pour des batteries de démarrage alors qu'on maximisera plutôt l'énergie pour des applications en stockage stationnaire.

Cette approche différenciée des services attendus permet de proposer une segmentation du marché des applications.

Cette segmentation a été réalisée à partir de l'étude ADEME concernant les P&A industriels<fnref n="2" />, en la complétant avec les domaines d'applications « portables » qui ne faisaient pas partie du périmètre de l'étude ADEME.

De plus, les parts de marché pour les applications industrielles qui ne concernaient que le périmètre français ont été réévaluées à une échelle mondiale (par exemple, les VAE en Chine sont encore souvent équipés de batteries au Plomb, alors que cette utilisation reste très minoritaire en Europe).

Le marché des batteries est généralement évalué en Wh (ce qui correspond à la somme de l'énergie électrique stockée par la totalité des batteries considérées. Ou encore la quantité d'énergie électrique délivrable par la totalité des batteries au cours d'un cycle de décharge). Dans le tableau ci-dessous les parts de marchés sont exprimées en % des Wh mis sur le marché.

L'intérêt de cette segmentation est de montrer la diversité des applications pour apporter une compréhension qualitative du marché des batteries. L'approche quantitative (évaluation en tonnages) est menée dans la partie prospective de l'étude sans entrer dans le détail de chaque application et en regroupant les segments de marchés sous trois grandes catégories : VEH, Bus électriques, Autres applications

<footnote n="2">² Evaluation de la filière des piles et accumulateurs industriels (ADEME – Novembre 2017)</footnote>
<table><caption>**Tab 1 :** Segmentation du marché des batteries – Estimations des PdM 2016
(Données compilées de différentes sources)</caption><thead><tr><th></th><th>Secteurs d'activité</th><th>Applications</th><th>Pb/Acide</th><th>Ni-Cd</th><th>Ni-MH</th><th>Li-ion</th><th>Autres</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="12">APPLICATIONS STATIONNAIRES</td><td>Secours (back-up)</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Utilities: production d'électricité (y/c nucléaire), transport et distribution (sous-stations)</td><td></td><td>90%</td><td>10%</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Oil and Gas: off shore, sous-marin, on-shore, infrastructure de distribution, raffineries</td><td></td><td>50%</td><td>50%</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Bâtiments (hopitaux, banques, data centers),</td><td rowspan="3">Alimentations de secours AC et DC<br>Interrupteurs et sectionneurs (switchgear)<br>Démarrage Diesel de secours</td><td>80%</td><td>20%</td><td>x</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Industries (chimique, métaux, mines, cimenteries...)</td><td>80%</td><td>20%</td><td>x</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Bureautique, informatique individuelle</td><td>95%</td><td></td><td></td><td>5%</td><td></td></tr><tr><td>Infrastructures de transport (trackside ferroviaire, routes et tunnels, balises aviation, phares et balises marines,...)</td><td></td><td>80%</td><td>20%</td><td>x</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Stations fixes des réseaux de télécom</td><td></td><td>80%</td><td>20%</td><td>x</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Systèmes d'alarme professionnels intrusion, contrôle d'accès, video-surveillance</td><td>Enregistreur - moniteur</td><td>x</td><td></td><td></td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>Eclairage de sécurité : Evacuation, anti-panique, habitation, locaux à sommeil</td><td>Eclairage de secours centralisé obligatoire<br>Eclairage de secours décentralisé obligatoire pour risque incendie</td><td>Majorité</td><td>Majorité</td><td>Disparu</td><td>Remplace le NiCd</td><td></td></tr><tr><td>Cyclage (utilisation continue)</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Systèmes domestiques d'énergies renouvelables</td><td>Installations photovoltaiques, systèmes éoliens, ...</td><td>90%</td><td></td><td></td><td>10%</td><td></td></tr><tr><td>Systèmes d'énergies renouvelables industriels</td><td>Installations photovoltaiques, systèmes éoliens, ...</td><td>10%</td><td></td><td>10%</td><td>80%</td><td></td></tr><tr><td>Stockage et restitution réseau (Energie)</td><td>Stockage sur réseau de distribution électrique</td><td>20%</td><td></td><td></td><td>70%</td><td>10% (NaS et batteries à flux))</td></tr><tr><td>Stockage multiservices sur réseau électrique (Puissance / énergie)</td><td>Smart grid & ENR (écretage, stabilisation, effacement)</td><td>10%</td><td></td><td></td><td>90%</td><td></td></tr><tr><td rowspan="12">APPLICATIONS MOBILES</td><td>Secours (back-up)</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Transport ferroviaire et aéronautique</td><td>Secours Ferroviaire: portes, éclairage, communication, chauffage, climatisation<br>Secours Aérien: alimentation cockpit, actionnement commandes,...</td><td>30%</td><td>60%</td><td></td><td>10%</td><td></td></tr><tr><td>Dispositifs médicaux</td><td>Système de monitoring, Administration automatique de médicaments...</td><td>20%</td><td></td><td></td><td>80%</td><td></td></tr><tr><td>Stockage portable</td><td>batteries d'appoint pour équipements portables individuels</td><td></td><td></td><td></td><td>100%</td><td></td></tr><tr><td>Cyclage (équipements de traction)</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Equipements de levage et de manutention</td><td>Chariots élévateurs, nacelles, gerbeurs, services aéroportuaires au sol.</td><td>95%</td><td></td><td></td><td>5%<br>croissance</td><td></td></tr><tr><td>Equipements industriels de nettoyage</td><td>Autolaveuses, polisseuses...</td><td>95%</td><td></td><td></td><td>5%</td><td></td></tr><tr><td>Véhicules électriques (4 roues)</td><td>Véhicules hybrides<br>Véhicules électriques, voitures de golf et autres véhicules de transport automatiques</td><td></td><td>Il n'y en a plus</td><td>toyota uniquement<br>90%</td><td>Transfert 2020 tout li-ion - 10%</td><td></td></tr><tr><td>Véhicules électriques (2 et 3 roues)</td><td>Vélo assistance électrique, scooters électriques</td><td>60%</td><td></td><td></td><td>99%</td><td></td></tr><tr><td>Autres dispositifs terrestres /équipements de mobilité électriques</td><td>trotinettes électriques, gyropodes électriques, ...</td><td>0-5%</td><td></td><td></td><td>95-100%</td><td></td></tr><tr><td>Marine (propulsion électrique)</td><td>Bateaux hybrides et tout électrique</td><td>95-99%</td><td></td><td></td><td>1-5%</td><td></td></tr><tr><td>Cyclage (équipements portables)</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Informatique portable</td><td>laptops, tablettes</td><td></td><td></td><td>5%</td><td>95%</td><td></td></tr><tr><td>Photos et vidéo</td><td>appareils photo, caméras</td><td></td><td></td><td>50%</td><td>50%</td><td></td></tr><tr><td>Communication</td><td>Téléphone portable</td><td></td><td></td><td>20%</td><td>80%</td><td></td></tr><tr><td>Autres produits grand public</td><td>Jeux, MP3, Tel fixe sans fil, rasoirs, brosses à dents... etc</td><td></td><td></td><td>20%</td><td>80%</td><td></td></tr><tr><td>Autres fonctions en autonomie</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Outillage sans fil</td><td>Bricolage et jardinage</td><td></td><td>Interdiction Europe</td><td>40%</td><td>60%</td><td></td></tr><tr><td>Commerce</td><td>Terminaux de paiement, lecteurs de code à barres</td><td></td><td></td><td>x</td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>Pilotage, instrumentation, mesures en secteurs industriels et bâtiments</td><td>smart applications, domotique, gestion d'énergie</td><td></td><td>x</td><td>x</td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>Dispositifs médicaux mobiles</td><td>Fauteuils roulants, lits médicaisés, moniteurs,...</td><td>x</td><td></td><td>x</td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>Drones, aéromodélisme</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>x</td><td>80% (Li-Po)</td></tr><tr><td>Eclairages mobiles</td><td>Mines, travail de nuit, égouts, plongées pro..etc</td><td></td><td></td><td>x</td><td>x</td><td>x</td></tr><tr><td>Clotures électriques</td><td></td><td>x</td><td></td><td></td><td>x</td><td>Zinc air</td></tr></tbody></table>
## 1.2 Analyse comparative des principales technologies de batteries mises sur le marché

Les éléments de comparaison des différentes technologies de batteries sont, dans un premier temps, liés à leur performance, c'est-à-dire principalement leurs grandeurs caractéristiques (Voir l'ANNEXE 1 pour les généralités techniques sur les batteries).

Nous utilisons ensuite d'autres éléments de comparaison tels que le prix, la sécurité, la facilité de gestion (maintenance, charge, décharge) etc., qui sont également des critères déterminants dans le choix d'une batterie pour une application donnée.

Les batteries Li-ion présentent une grande variété de conception principalement liée à diverses associations de matériaux constituant la cathode.

Ceci se traduit également par un éventail de performance assez large mais qui globalement ne change pas la hiérarchie des avantages et inconvénients vis-à-vis des autres technologies.

Il n'apparait donc pas nécessaire, à ce stade de l'étude d'entrer plus en détail dans les différences de conception au sein de la famille Li-ion. En revanche, cette diversité de composition aura des conséquences importantes en ce qui concerne le recyclage.

### 1.2.1 Diagramme de Ragone

Le diagramme de Ragone exprime la puissance spécifique d'une batterie en fonction de son énergie spécifique. Il permet de comparer les performances des systèmes de stockage d'énergie entre eux en matière de densité de puissance et de densité d'énergie.

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

<footnote n="3">³ Source Daniel CHATROUX, Bruno BERANGER (CEA) - Accumulateurs Lithium-ion et véhicules électriques – Symposium de génie électrique – Grenoble, FRANCE 7-9 juin 2016.</footnote>
L'observation du diagramme de Ragone, montre que de manière générale, chaque nouvelle génération de batterie (Plomb/acide, Ni-Cd, Ni-MH et Li-ion) permet d'accroître à la fois la densité de puissance et la densité d'énergie.

Ce diagramme met également en évidence que le choix d'une batterie est un compromis entre densité de puissance et densité d'énergie, car l'augmentation d'un paramètre entraîne généralement la diminution de l'autre.

Enfin, sur ces deux critères de performance, on constate que la technologie Li-ion surclasse nettement les autres technologies aussi bien sur des applications en puissance qu'en énergie.

### 1.2.2 Critères de comparaison liés à la performance

<table><caption>**Tab 2:** Comparaison des principales technologies de batteries selon leurs critères de performance (Données compilées de différentes sources)</caption><thead><tr><th></th><th>Li-ion</th><th>Ni-MH</th><th>Ni-Cd</th><th>Na-S<sup>4</sup></th><th>Pb/Acide</th></tr></thead><tbody><tr><td>Tension nominale (volts)</td><td>3,7</td><td>1,2</td><td>1,2</td><td>1,75</td><td>2</td></tr><tr><td>Densité d'énergie massique (Wh/Kg)</td><td>90-250</td><td>60-80</td><td>40-55</td><td>100-110</td><td>30-50</td></tr><tr><td>Densité de puissance (W/kg)</td><td>100-5000</td><td>100-2000</td><td>100-800</td><td>100-200</td><td>100-300</td></tr><tr><td>Nombre de cycles</td><td>1000-10000</td><td>1000-1500</td><td>1500-2500</td><td>2000-5000</td><td>500-1200</td></tr><tr><td>Rendement charge / décharge</td><td>&gt;95%</td><td>70 à 90%</td><td>70 à 90%</td><td>70-80%</td><td>70 à 75%</td></tr><tr><td>Autodécharge (% / mois)</td><td>&lt;5%</td><td>20%</td><td>20%</td><td>Forte (batterie chaude)<br>20%/jour</td><td>5%</td></tr></tbody></table>

Les performances des différentes technologies sont le plus souvent exprimées par des fourchettes de valeur.

En effet, au sein d'une technologie donnée, les performances varient en fonction de la qualité de fabrication, elle-même liée à la qualité des process et la qualité des matériaux constitutifs. Au-delà des écarts de fiabilité entre fabricants, cette qualité dépendra avant tout de l'usage prévu (Par exemple à technologie équivalente les batteries destinées aux applications spatiales seront fabriquées dans des conditions plus rigoureuses afin notamment de maximiser leur cyclabilité et donc leur durée de vie).

Au sein de la technologie Li-ion plus spécifiquement, la variabilité des performances est liée à un spectre des compositions chimiques relativement large.

Enfin, pour chaque technologie, on pourra chercher à optimiser soit la puissance, soit l'énergie en fonction des applications de destination.

<footnote n="4">⁴ Source ENEA CONSULTING : « Facts en figures » – Le stockage d'Energie – Mars 2012</footnote>
### 1.2.3 Autres critères de comparaison (Hors performance)

<table><caption>**Tab 3:** Comparaison des technologies de batteries selon des critères non liés à la performance</caption><thead><tr><th></th><th>Pb</th><th>Ni-Cd</th><th>Ni-MH</th><th>Na-S</th><th>Li-ion</th></tr></thead><tbody><tr><td>Prix</td><td>+++</td><td>++</td><td>+</td><td>+</td><td>-</td></tr><tr><td>Sécurité d'utilisation</td><td>+++</td><td>+++</td><td>+++</td><td>+</td><td>-</td></tr><tr><td>Facilité de gestion (maintenance, charge et décharge)</td><td>++</td><td>++</td><td>-</td><td>--</td><td>--</td></tr><tr><td>Fiabilité dans un environnement extrême (T° / chocs)</td><td>+</td><td>++</td><td>+</td><td>-</td><td>-</td></tr></tbody></table>

Légende : plus il y a de « + » et plus la chimie présente un intérêt positif par rapport au critère évalué

<table><tr><td>Légende couleur :</td><td>Stable</td></tr><tr><td></td><td>En cours d'évolution</td></tr></table>

### 1.2.4 Critères complémentaires

Enfin d'autres critères pourront être pris en compte ou influeront dans le choix d'une batterie, Il s'agira notamment des éventuelles restrictions réglementaires, de l'impact environnemental ou encore de la « recyclabilité ».

L'impact environnemental sur l'ensemble de cycle de vie d'une batterie ne sera pas traité dans le cadre de cette étude (A noter que l'analyse du cycle de vie d'une batterie est complexe car il dépend en grande partie de la phase d'utilisation<fnref n="5" />). Seul l'impact environnemental des procédés de recyclage sera abordé dans une approche comparative (chap. 3.4).

La notion de recyclabilité est abordée plus loin (chap. 2.2.2).

Les technologies Pb/acide, Ni-Cd et Ni-MH sont utilisées depuis longtemps et leurs critères d'évaluation sont stabilisés. On peut cependant souligner qu'en Europe les batteries au plomb sont sur le point de subir des restrictions réglementaires en hausse du fait de l'inscription de nouvelles substances entrant dans la composition de ces batteries à l'annexe XIV et XVII du règlement REACH<fnref n="6" /> (qui mentionnent les substances soumises à autorisations et à restrictions). Les batteries au plomb bénéficient actuellement d'un régime d'exemption (voir Annexe 2 de cette étude : restrictions réglementaires dans l'UE).

En revanche, les technologies Li-ion actuellement en fort développement continuent à évoluer en ce qui concerne leur composition, leur prix et leur sécurité.

L'amélioration de la sécurité est aujourd'hui un axe de recherche important pour les technologies Li-ion. On peut mentionner la technologie LFP (Lithium/fer/phosphate) qui offre potentiellement plus de sécurité du fait d'une meilleure stabilité thermique des cellules. En contrepartie, cette technologie est un peu moins performante sur la densité d'énergie massique (90-120 Wh/kg).

Cette technologie a jusqu'ici été privilégiée par Sony et surtout BYD qui est un des leaders mondiaux dans la fabrication de batteries au lithium<fnref n="7" />. Mais ce dernier utilise de plus en plus des batteries Li-ion de type NMC (Nickel/Manganèse/Cobalt) pour ses VEH. Les batteries LFP restent très utilisées pour les bus électriques.

<footnote n="5">⁵ L'étude ACV publiée en 2013 par l'ADEME sur les seules batteries de véhicules électriques donnent la mesure de la difficulté. Pour une approche très complète sur les analyses de cycle de vie, voir l'association SCORELCA - https://www.scorelca.org/</footnote>

<footnote n="6">⁶ Règlement N° 1907/2006, complété par le règlement N° 2015/628 concernant plus spécifiquement le plomb et ses composés.</footnote>

<footnote n="7">⁷ L'entreprise chinoise BYD a la particularité de fabriquer à la fois des batteries mais aussi des véhicules électriques - BYD représente près de 20% des parts de marché dans la fabrication de batteries Li-ion dans le monde et 11% de parts de marché sur les batteries de VEH. Son CA est de 12 Mds de USD en 2015.</footnote>
Des moyens importants sont également mis en œuvre pour mettre au point des batteries Li-ion à électrolyte solide qui améliore la sécurité ainsi que la densité énergétique.

Dans le domaine du stockage de masse, du fait de son fonctionnement à haute température et du risque d'accident en cas de contact avec l'air extérieur ou l'humidité, la technologie de batteries Na-S présente des risques qui peuvent être parfaitement contrôlés en milieu industriel mais ne se prêtent pas à un usage domestique (qui n'est par ailleurs pas du tout envisagé pour cette technologie).

Pour les technologies Ni-Cd, les restrictions réglementaires concernent son utilisation (voir détail en ANNEXE 2) Pour les technologies Lithium, les restrictions réglementaires concernent son transport (par voie aérienne notamment) – voir Chap 2.1 concernant la réglementation.

De manière générale les technologies les plus récentes, même si elles offrent des performances supérieures (en particulier le Li-ion), restent encore relativement chères et sont surtout plus complexes à gérer dans leur utilisation.

Les technologies de recyclage pour les batteries Ni-Cd et Ni-MH sont matures, et il est peu probable qu'elles évoluent dans le futur. Aujourd'hui la directive CE 2006-66 impose 75 % de taux de recyclage sur le Ni-Cd et 50 % sur les autres technologies hors Plomb<fnref n="8" />. Pour ces deux catégories de batteries, les rendements de recyclage sont déjà élevés et supérieurs aux exigences.

Concernant le Li-ion, l'augmentation des volumes de batteries, la nécessité de sécuriser les ressources en métaux stratégiques sur le long terme (Lithium, cobalt et Nickel principalement) et la nécessité de réduire l'impact environnemental de la fin de vie font du recyclage de ces batteries un enjeu important en matière de développement.

Concernant les batteries Na-S, elles sont en théorie facilement recyclables au regard de leurs composants mais il ne semble pas exister à ce stade de procédés industriels pour leur recyclage.

### 1.2.5 Bilan et discussion concernant les avantages et inconvénients des principales technologies de batteries actuellement sur le marché

#### 1.2.5.1 Plomb-Acide

Mises au point en 1859, Les batteries plomb/acide restent de loin les plus utilisées (75 % du volume de batteries tous marchés confondus<fnref n="9" /> en 2017, près de 50 % en valeur). Elles sont robustes, peu chères et facilement recyclables même si le plomb et l'acide utilisé (acide sulfurique) sont potentiellement dangereux pour l'environnement. Les batteries au plomb seront généralement préférées tant qu'elles répondent au cahier des charges de l'utilisateur. Elles peuvent fonctionner aussi bien en cyclage qu'en secours, en puissance qu'en énergie et peuvent être rechargées avec un chargeur bas de gamme. Pouvant fournir une forte intensité (puissance), elles sont particulièrement adaptées pour les batteries de démarrage et plus généralement pour le segment d'application appelé SLI en anglais (Start, Lighting, Ignition).

L'inconvénient majeur des batteries au plomb est leur faible densité d'énergie massique qui les disqualifie généralement pour les applications mobiles demandant de l'autonomie (leur utilisation reste toutefois très majoritaire pour les véhicules industriels tels que les engins de levage et manutention ou les équipements industriels de nettoyage).

<footnote n="8">⁸ A l'échelle européenne, ces taux sont atteints par une écrasante majorité d'acteur. Cependant, malgré le règlement N° 493/2012 qui précise les modalités de calcul des rendements de recyclage, des progrès semblent encore nécessaires pour harmoniser le reporting.</footnote>

<footnote n="9">⁹ AVEICENNE ENERGY – Présentation Christophe Pillot Octobre 2018 – congrès de Nice.</footnote>
Bien qu'inférieure au Ni-Cd, la plage de température d'utilisation reste assez large (-20°C à 45°C) et généralement supérieure aux batteries Li-ion.

Les batteries Plomb ont l'inconvénient d'avoir une fin de vie soudaine qui peut être problématique pour certaines applications notamment dans le cas où une maintenance régulière est difficile à mettre en œuvre.

L'utilisation de batteries plomb/acide reste donc prépondérante pour toutes les applications stationnaires en secours en dehors de conditions extrêmes et sur sites isolés où on lui préfèrera généralement la technologie Ni-Cd.

Les batteries plomb/acide restent également majoritaires pour les systèmes domestiques d'énergie renouvelables pour leur facilité d'utilisation et de gestion. En revanche, pour la plupart des applications stationnaires qui fonctionnent en cyclage dans un environnement industriel, (systèmes EnR industriel, stockage multiservices sur réseau) les batteries Li-ion seront préférées (ou Na-S pour du stockage de grande capacité).

Enfin, du fait de sa faible densité énergétique, la technologie Plomb/acide n'est pas utilisée pour les autres applications de mobilité électrique (à l'exception des vélos à assistance électrique hors Europe) ni aucun autre équipement électronique portable.

Le recyclage des batteries au Plomb est une activité rentable. De fait, les batteries Plomb-acide sont parmi les produits les plus recyclés au monde. Après concassage, fusion et affinage, les recycleurs produisent du plomb très largement réutilisé pour la fabrication de nouvelles batteries.

### 1.2.5.2 Ni-Cd

#### Composition

Les batteries Ni-Cd sont composées d'une cathode en hydroxyde de nickel – $Ni(OH)_2$ et d'une anode en Cadmium.

L'électrolyte le plus couramment utilisé est de l'hydroxyde de potassium (KOH) ou de l'hydroxyde de sodium (NaOH) appelée aussi soude caustique). On y trouve aussi en faible quantité de l'hydroxyde de lithium (LiOH) qui permet d'améliorer les performances de la batterie.

Les batteries Ni-Cd contiennent également entre 0 et 3% de Cobalt.

Les proportions moyennes sont de :

* Hydroxyde de nickel : 20 à 25 %

* Cadmium : 15 à 18 %

* Métaux ferreux (casing, ...etc): 20 à 25 %

* Electrolyte : 5 %

* Polymère, matière carbonée (séparateur, liants...etc) : 25 à 35 %

* Cobalt : 0 à 3 %

#### Spécificités

Inventées dès 1900 et commercialisées à partir des années 1940 les batteries au Ni-Cd ont permis d'améliorer sensiblement la densité d'énergie et la densité de puissance par rapport aux batteries au plomb. Elles offrent également une plus grande durée de vie (en nombre de cycles) et nécessitent peu de maintenance. Elles sont également beaucoup moins sensibles aux variations de température (le
Ni-Cd conserve ses performances au froid et ne vieillit pas prématurément dans des conditions chaudes) et peu sensibles aux chocs physiques et vibrations.

De plus, contrairement aux batteries au plomb qui subissent une « mort subite », le Ni-Cd a un vieillissement progressif, et donc une perte de performance progressive qui facilite la planification en matière de maintenance et de renouvellement.

Un accumulateur Ni-Cd peut se contenter d'un chargeur bas de gamme, sa recharge est simple et rapide y compris après une longue période de stockage et une décharge complète.

Les batteries Ni-Cd sont donc largement utilisées pour les applications en secours notamment dans les transports aériens, ferroviaires mais aussi dans des zones difficiles d'accès où la maintenance est problématique (par exemple les activités offshore) pour des usages répétitifs et industriels. De manière générale le Ni-Cd permet d'apporter des solutions fiables pour des applications fonctionnant dans un environnement extrême (fortes variations de température, chocs, vibrations, accélération).

Elles ont longtemps été utilisées pour les équipements portables (radio, vidéo professionnelle, équipement médical d'urgence et outillage sans fil) avant d'être progressivement remplacées par du Ni-MH à partir des années 1990 du fait de la dangerosité du cadmium. L'utilisation du Cadmium est aujourd'hui fortement réduite par la réglementation européenne dans le cadre de la restriction d'utilisation des substances dangereuses.

A capacité équivalente, le Ni-Cd coute 3 à 4 fois plus cher que le Plomb (jusqu'à 10 fois plus cher pour des applications extrêmes en aéronautique par exemple).

Le recyclage des batteries Ni-Cd fait l'objet de procédés éprouvés dans des installations strictement industrielles notamment du fait d'un passage en phase vapeur faisant appel à de hautes températures.

### 1.2.5.3 Ni-MH

#### Composition

Les batteries Ni-MH sont composées d'une cathode en hydroxyde de nickel et d'une anode d'insertion, en alliage métallique, absorbant réversiblement de l'hydrogène sous forme solide par la formation/décomposition d'un hydrure métallique. Les matériaux hydrurables utilisés commercialement sont des alliages à base de terres rares (Mm) et de nickel, de formule générale Mm(Ni, Co, Al, Mn)₅

Comme pour les batteries Ni-Cd, l'électrolyte le plus couramment utilisé est de l'hydroxyde de potassium ou de l'hydroxyde de sodium. On y trouve aussi en faible quantité de l'hydroxyde de lithium qui permet d'améliorer les performances de la batterie.

La composition moyenne des batteries Ni-MH utilisées pour des véhicules hybrides électriques, est de

* 23 % de nickel,

* 4 % de cobalt,

* 7 % de terres rares

* 36 % d'acier,

* 18 % de plastique,

* 9 % d'électrolyte,

* 2 % d'autres métaux
* 1 % de polytérafluoroéthylène (PTFE)<fnref n="10" /> utilisé comme liant.

## Spécificités

La batterie Ni-MH a été mise au point en 1975 mais sa commercialisation n'a débuté qu'en 1990. Cette technologie utilise pour la première fois des matériaux d'insertion pour une électrode. C'est-à-dire que le matériau d'électrode n'est pas directement consommé par les réactions d'oxydo-réduction, mais sert à accueillir les espèces ioniques qui participent à la réaction redox (ici un hydrure de métal). Cette avancée technologique permettra la mise au point quelques années plus tard des batteries Li-ion et ouvrira un large champ de recherche sur les matériaux constitutifs des électrodes. Ce champ reste aujourd'hui encore très fertile pour améliorer la performance des batteries notamment en densité de puissance, densité d'énergie et rapidité de charge (aujourd'hui, la R&D s'intéresse en particulier aux anodes d'insertion au silicium).

Le Ni-MH convient pour toutes les utilisations, et plus particulièrement pour un usage de faible puissance et de longue durée.

Il est plus cher que le Ni-Cd mais offre une densité massique plus importante.

Il présente le désavantage d'avoir une autodécharge importante et exige un chargeur « intelligent » capable notamment de détecter lorsque la batterie est chargée et de couper alors la charge. En effet, le Ni-MH ne supporte pas les dépassements de charge.

Enfin les batteries Ni-MH ne doivent pas être déchargées complètement.

Très utilisées sur les premiers véhicules électriques et longtemps préférées par Toyota<fnref n="11" /> sur ses véhicules hybrides pour des questions de sécurité, la technologie Ni-MH tend aujourd'hui à disparaitre progressivement sur ce marché où le Li-ion s'impose largement.

Les batteries Ni-MH conservent une place dans le secteur des équipements portables (Outillage, laptop, tel mobile, caméra, appareils photos...) mais sont fortement concurrencées par le Li-ion dont la part de marché augmente régulièrement grâce à une meilleure densité d'énergie massique et une baisse de prix régulière.

Le recyclage des batteries Ni-MH est réalisé par pyro-métallurgie selon des procédés éprouvés dans des installations strictement industrielles et souvent compatibles avec le traitement de batteries Li-ion.

### 1.2.5.4 Li-ion

La batterie Li-ion a été mise au point en 1978 et commercialisée à partir de 1991.

Cette technologie offre une large diversité en utilisant des composants variés pour constituer la cathode (LCO à dominante Cobalt; LMO à dominante Manganèse, NMC avec Nickel – Manganèse – Cobalt, NCA avec Nickel – Cobalt – Aluminium, LFP avec Lithium – Phosphate de Fer). Les batteries Li-ion ont l'avantage d'avoir une densité d'énergie massique élevée, ce qui en fait la technologie privilégiée pour les applications mobiles. Elles peuvent également proposer des densités de puissance beaucoup plus élevées que toutes les autres technologies.

<footnote n="10">¹⁰ Source Institut du Nickel : https://www.nickelinstitute.org/</footnote>

<footnote n="11">¹¹ Toyota continue toutefois à commercialiser une partie de ses véhicules avec des batteries Ni-MH (en Europe notamment) pour des raisons de couts.</footnote>
Les batteries Li-ion travaillent donc aussi bien en puissance qu'en énergie avec des durées de vie relativement longues. D'où une utilisation également adaptée en multiservices sur les réseaux électriques.

Enfin, elles ont une faible autodécharge.

Le prix de la technologie Lithium a baissé de manière drastique au cours des dernières années<fnref n="12" />, ce qui favorise son développement.

En revanche, les technologies à base de Lithium sont plus « capricieuses » et doivent être dotées d'une électronique de pilotage (BMS – Battery Management System) permettant de couper la batterie lorsqu'elle sort de sa zone de fonctionnement (car elle présente alors des risques d'emballement thermique pouvant être à l'origine d'explosion ou d'incendie). Il faut en particulier éviter les surcharges, décharges rapides ou courts-circuits ce qui impose une recharge contrôlée et donc un chargeur performant et adapté.

De plus, ce type de batteries ne supporte pas les chocs trop violents et son intégrité doit être préservée pour éviter les risques de départ de feu lié à la libération de l'électrolyte, très inflammable et qui peut dégager des gaz toxiques (chlorés, fluorés) au contact de l'air et de l'eau.

La technologie Li-ion a accompagné le fort développement de l'électronique portable (téléphones mobiles, tablettes, laptop...). Elle s'impose aujourd'hui sur la plupart des secteurs en développement et notamment celui de la mobilité (VEH, VAE, Etc...) et des systèmes stationnaires industriels (EnR industriels, stockage multiservices sur réseaux électriques). Les batteries Li-ion viennent concurrencer le Ni-Cd voire les batteries Plomb-Acide sur les applications en secours et commencent même à entrer sur le marché des équipements de levage et manutention jusqu'ici réservé à la technologie Pb/acide.

La technologie Li-ion vient enfin concurrencer le Ni-MH sur les applications portables (outillage électroportatif, photo/vidéo... etc) où il avait remplacé le Ni-Cd.

Avec des performances supérieures aux autres technologies dans presque toutes les configurations d'utilisation, les progrès en matière de sécurité mais surtout la baisse des couts significative au cours des 10 dernières années ont largement favorisé son développement.

Aujourd'hui les marges de progrès supplémentaires liées à la chimie des batteries lithium ion semblent relativement limitées à part dans le champ des électrolytes solides (et les anodes au silicium).

En revanche, il existe des axes d'amélioration dans le domaine de l'ingénierie d'assemblage des packs : réduction des matériaux passifs, système de refroidissement à l'air plutôt que liquides, optimisation du BMS.

Le recyclage des batteries Li-ion fait appel à des procédés existants et en cours de développement qui seront abordés plus en détail dans la suite de l'étude.

### 1.2.5.5 Na-S

Les batteries Sodium-Soufre ont été mises au point par Ford Motor Company dans les années 60. Les brevets ont ensuite été cédés à l'entreprise japonaise NGK INSULATORS Ltd qui a relancé un programme de recherche à partir de 1984 pour atteindre un développement commercial au début des années 2000. NGK est aujourd'hui le seul fabricant mondial de ce type de batteries.

<footnote n="12">¹² Bloomberg New Energy Finance indique un prix moyen de 273 USD/KWh en 2016 alors qu'il était de l'ordre de 1000 USD/ KWh en 2010 (The changing landscape of batteries manufacturers – James Frith – BNEF – Batteries congress – Nice 2017)</footnote>
Avec un potentiel standard de réduction parmi les plus élevés (2,71 V), et une faible masse atomique le Sodium comme le Lithium présente un réel intérêt pour la conception de batteries. En effet, les batteries Na-S proposent une densité d'énergie massique relativement élevée (100-110 Wh/kg) et le Sodium a l'avantage d'être plus abondant et moins cher que le Lithium.

Les batteries Na-S ne sont pas très performantes sur les applications en puissance (Voir diagramme de ragone) mais parfaitement adaptées pour du stockage de grande capacité sur réseau électrique où la part d'électricité provenant de sources d'énergies intermittentes augmente.

Elles restent cependant complexes à mettre en place et nécessitent un haut niveau d'expertise technique. En effet c'est une batterie chaude dont la température de fonctionnement se situe entre 290°C et 390 °C ce qui réduit également son rendement (puisqu'une partie de l'énergie stockée est utilisée pour son maintien en température). Son principe est d'utiliser des électrodes liquides sous formes ioniques de sodium (pôle négatif) et de soufre (pôle positif). L'électrolyte solide intermédiaire est une céramique (Beta Alumine).

Les batteries Na-S, avec une capacité installée à l'échelle mondiale de 530 MW (3700 MWh) sur plus de 200 sites<fnref n="13" /> (essentiellement situés au Japon) représentent aujourd'hui le principal mode de stockage électrochimique sur réseau avec près de 50 % des capacités. Un démonstrateur de 1MW est installé depuis 2010 à la Réunion<fnref n="14" /> (France). Un autre de 4MW au Texas (USA). Les autres technologies utilisées sont les batteries Plomb/acide, Ni-Cd, Li-ion qui gagne des parts de marché, ainsi que les batteries à circulation qui restent encore peu utilisées, mais pourraient connaitre un développement significatif à moyen terme sur ce marché.

En matière de recyclage, il n'existe aucune installation pour ce type de batteries. Dans la littérature, la seule référence identifiée sur le sujet<fnref n="15" /> indique que le recyclage de ces batteries se heurte principalement à des contraintes économiques. Un procédé de recyclage (6 brevets déposés par NGK insulators entre 1992 et 1996 ont été identifiés) propose un broyage des batteries et la récupération d'une solution de polysulfure de sodium (Na₂SO₄) par dissolution aqueuse. Cette solution est ensuite acidifiée pour générer du sulfure d'hydrogène (H₂S) qui est ensuite traité par le procédé de Claus<fnref n="16" /> afin de récupérer le Soufre. A partir de la solution restante, on produit de l'acide sulfurique (H₂SO₄) et de l'hydroxyde de sodium (NaOH). En laboratoire, le soufre ainsi récupéré peut être réutilisé dans la fabrication de cellules Na-S avec des performances équivalentes. Cependant, le procédé n'a jamais été industrialisé... NGK insulators étant le seul fabricant pour cette technologie, il est peu probable qu'une solution de recyclage puisse émerger sans son initiative.

### 1.2.6 Les systèmes de stockage électrochimiques alternatifs

A côté des technologies qui dominent actuellement le marché (Pb/acide, Ni-Cd, Ni-MH, Li-ion et Na-S), il existe d'autres formes de stockage électrochimique.

Nous proposons d'aborder ces autres formes de stockage sous trois catégories :

* Les technologies de batteries connues et utilisées de manière marginale pour certaines applications spécifiques ou qui ont pu connaitre dans leur histoire, un développement commercial mais sont aujourd'hui abandonnées ou en voie d'abandon (Cf. ANNEXE 3).

* Les technologies non matures faisant l'objet de travaux de R&D, que nous qualifions de « batteries du futur » car elles ne seront pas en mesure de connaitre des applications commerciales de masse à moyen terme (Cf. ANNEXE 4).

<footnote n="13">¹³ https://www.ngk.co.jp/nas/why/history.html</footnote>

<footnote n="14">¹⁴ Projet PEGASE (EDF)</footnote>

<footnote n="15">¹⁵ Used battery Collection and Recycling (De G. Pistoia, J.-P. Wiaux, S.P. Wolsky) - 2001</footnote>

<footnote n="16">¹⁶ https://fr.wikipedia.org/wiki/Procédé_Claus</footnote>
* Les technologies émergentes, déjà commercialisées en quantité relativement faible (parfois à travers des démonstrateurs ou pilotes industriels) et qui pourraient connaitre un développement commercial significatif dans les années à venir.

Concernant les deux premières catégories, nous avons considéré que la faiblesse des volumes (technologies marginales), ou leur absence (batteries du futur) dans les années à venir justifiaient leur exclusion du champ de l'étude car elles ne représentaient pas d'enjeu en matière de recyclage sur le moyen terme. Afin de faciliter la lecture de ce document, nous avons fait le choix de les aborder en annexes :

**ANNEXE 3 : Les technologies de batteries peu commercialisées, abandonnées ou en voie d'abandon**

**ANNEXE 4 : Batteries du futur**

En revanche, nous avons retenu trois technologies « émergentes » qui sont actuellement commercialisées en quantité relativement faible mais pourraient connaitre un développement à moyen terme. Il s'agit des piles à combustible, des batteries Redox à flux (ou batteries à circulation) et enfin des supercondensateurs<fnref n="17" />. Nous proposons ici une présentation de ces technologies, une analyse de leur potentiel de développement et un commentaire concernant leur recyclage potentiel.

### 1.2.6.1 Piles à combustible

Une pile à combustible est un générateur électrochimique d'énergie qui transforme directement l'énergie chimique d'un combustible en énergie électrique. On parle de « combustion chimique »

Le combustible utilisé est toujours de l'hydrogène qu'il soit sous sa forme pure (H₂) ou sous une autre forme constituant un réservoir d'hydrogène (par exemple un alcool ou un hydrocarbure). L'oxygène provient de l'air et sert de comburant.

La pile à combustible fonctionne sur le mode inverse de l'électrolyse de l'eau.<fnref n="18" />

#### Principe de fonctionnement

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>**Fig 2 :** Schéma de principe d'une pile à hydrogène
Source : http://www.h2sys.fr/fr/technologies/pile-a-combustible/</figcaption></figure>

Au niveau de l'anode, la molécule d'hydrogène, au contact d'un catalyseur, se décompose et libère des électrons (phénomène d'oxydation) qui vont créer le courant électrique.

$$2 \mathrm{H}_2 \rightarrow 4 \mathrm{H}^+ + 4 \mathrm{e}^-$$

D'autre part, au niveau de la cathode, l'oxygène, au contact avec les électrons libérés par la précédente réaction réagit (phénomène de réduction)

$$\mathrm{O}_2 + 4 \mathrm{e}^- \rightarrow 2 \mathrm{O}^2$$

Enfin, les protons hydrogène, lorsqu'ils arrivent à la cathode, se recombinent avec les ions oxygène et forment de l'eau.

$$4 \mathrm{H}^+ + 2 \mathrm{O}^2 \rightarrow 2 \mathrm{H}_2\mathrm{O}$$

<footnote n="17">¹⁷ Bien qu'étant des systèmes de stockage électrostatiques (et non électrochimiques) les supercondensateurs sont abordés dans cette étude car ils peuvent concurrencer les batteries sur certains marchés mais présentent également des similitudes au regard des enjeux techniques liés au recyclage.</footnote>

<footnote n="18">¹⁸ L'électrolyse de l'eau consiste à dissocier les molécules d'eau (H₂O) en Dihydrogène(H₂) et Dioxygène (O₂) sous l'effet d'un courant électrique.</footnote>
La pile à combustible est connue depuis le 19ème siècle. Son principe théorique est simple mais complexe et couteux à mettre en œuvre, ce qui l'a longtemps cantonné à des applications de niche et en particulier dans l'industrie spatiale pour laquelle elle présente deux atouts majeurs : sa forte densité d'énergie massique ainsi que ses rejets qui se limitent à de l'eau.

La recherche dans le domaine a été relancée dans les années 90 en particulier par le secteur automobile, au même titre que la recherche sur les autres types de batteries afin de trouver une alternative aux moteurs thermiques.

## Impact environnemental

La technologie hydrogène bénéficie d'une image de « technologie propre » ce qui est vrai au regard de ses rejets (de l'eau) et de l'absence d'émissions de particules au même titre que les batteries.

Pourtant, c'est le mode de production de l'hydrogène qui reste déterminant pour évaluer l'intérêt environnemental d'une pile à hydrogène. En 2015 il est produit à plus de 90 % à partir de sources d'énergies fossiles (notamment par vaporeformage du méthane : $CH_4 + H_2O \rightarrow CO + 3 H_2$).

Il peut également être produit par électrolyse de l'eau. Dans ce cas, si l'électricité nécessaire à cette opération est d'origine fossile, l'impact environnemental de la pile à hydrogène reste négatif.

La solution hydrogène devient compétitive sur un plan environnemental seulement si l'hydrogène est produit par électrolyse et si cette électrolyse est réalisée à partir d'électricité provenant d'EnR, voire à partir de surplus d'électricité provenant d'EnR.

Cependant l'hydrogène produit par vaporeformage du méthane coûte environ 4 fois moins cher que par électrolyse.

De plus, le rendement de l'électrolyse étant d'environ 70 % et le rendement d'une pile à hydrogène étant à peine supérieur à 50 %, les détracteurs de la pile à hydrogène s'interrogent sur l'intérêt de consommer de l'électricité pour fabriquer de l'hydrogène qui sera à nouveau transformé en électricité (Avec un rendement global de 35 %) alors que l'électricité première aurait pu tout simplement être utilisée pour charger une batterie classique (dont le rendement est au moins égal à 70 %).

## Coût

Le principal handicap de la technologie hydrogène reste son prix. En effet, à l'achat, un véhicule à pile à hydrogène coute actuellement 3 à 4 fois plus cher qu'un véhicule électrique. Même si le cout de fabrication des piles à hydrogène peut être encore réduit (en essayant notamment de se passer de catalyseur à base de platine), ce n'est qu'à travers des économies d'échelle<fnref n="19" /> obtenues grâce à une production de masse que cette technologie pourrait éventuellement devenir compétitive sur le marché des véhicules.

## Mise en œuvre technique/sécurité

Sur un plan technique, la pile à hydrogène pose encore d'autres problèmes liés au transport et au stockage d'hydrogène. En effet, l'hydrogène doit être stocké dans des réservoirs sous haute pression (350 à 700 bars) qui génèrent des contraintes de sécurité d'autant plus que l'hydrogène est fortement inflammable à l'air.

Le stockage sous une autre forme que de l'hydrogène pur, aide à résoudre ces problèmes mais en génère d'autres au niveau des rejets. En effet, si la combustion d'hydrogène pur ne rejette que de

<footnote n="19">¹⁹ Les défis de la voiture à hydrogène – Kheira Bettayeb (CNRS-Le journal 08-03-2017)
https://lejournal.cnrs.fr/articles/les-defis-de-la-voiture-a-hydrogene</footnote>
l'eau, son utilisation sous forme d'alcool ou d'hydrocarbure génère pour sa part des émissions de CO2.

Enfin, le développement de la voiture à pile à hydrogène nécessite une infrastructure de transport et de stockage (pour l'hydrogène) mais aussi une infrastructure de recharge qui est particulièrement couteuse, au même titre que l'infrastructure de recharge nécessaire pour le véhicule électrique à batterie.

## Potentiel de développement

Malgré les atouts potentiels de la pile à hydrogène (abondance de l'hydrogène, rapidité de charge, autonomie), la compétition avec les batteries Li-ion semble définitivement perdue sur le terrain du véhicule électrique qui est le seul marché potentiel suffisamment important pour permettre de réaliser les économies d'échelle nécessaires à sa compétitivité.

En effet, depuis l'arrivée des véhicules à piles à hydrogène sur le marché en 2013 (seuls Honda, Hyundai et Toyota commercialisent aujourd'hui un modèle destiné au grand public) seules 6 500 immatriculations ont été enregistrées<fnref n="20" /> dans le monde (dont près de la moitié en Californie). Alors que les véhicules à batteries ont atteint en 2017 plus de 1 millions d'unités vendues (pour un parc roulant évalué à environ 3 Mi d'unités). Il s'agit essentiellement d'opérations de démonstrations, fortement subventionnées à l'intention de « flottes captives ».

Si on considère le montant des investissements nécessaires pour le développement d'une infrastructure de recharge/stockage dédiée au véhicule hydrogène, il y a peu de chance que deux infrastructures (en grande partie financées par de l'argent public) puissent cohabiter. Or on peut constater que le choix stratégique en faveur des véhicules à batteries est déjà fait.

Le « conseil de l'hydrogène » créé à DAVOS en 2017 qui a rendu son premier rapport en Novembre 2017 affirme que le développement d'une économie de l'hydrogène nécessite 20 à 25 Mds de $ d'investissement par an jusqu'en 2030²¹. La vision développée par les membres du conseil (qui sont des entreprises de taille mondiale dans le domaine de l'automobile, l'énergie ou encore la liquéfaction) sonne plus comme une succession de vœux pieux que comme un programme industriel. D'autant plus que certains d'entre eux annoncent en parallèle la réduction de leurs investissements dans ce domaine.

Ainsi Daimler, Toyota ou Mercedes qui ont beaucoup investi sur la technologie hydrogène annoncent la réduction de leurs ambitions voire un abandon de leurs programmes<fnref n="22" />. Volvo a officiellement annoncé qu'il n'investirait pas sur cette technologie. En France, les constructeurs automobiles ne participent pas aux efforts de recherche financés par les pouvoirs publics.

A moyen terme, la pile à hydrogène a peu de chance de venir concurrencer les batteries sur des applications de masse d'autant plus que la technologie de batteries Li-ion poursuit sa dynamique de baisse de prix, d'amélioration de sa sécurité et de ses performances (en densité d'énergie, durée de vie) la rendant toujours plus compétitive. Ne pouvant bénéficier des économies d'échelles associées à ces marchés, la technologie de pile à hydrogène restera probablement chère.

Cependant, l'hydrogène reste un mode de stockage d'énergie qui peut avoir de la pertinence en stockage de grande capacité sur réseau électrique mais surtout en stockage de longue durée (car une fois stocké, il n'y a pas de dégradation énergétique de l'hydrogène). Notamment sur sites insulaires pour lisser la production et faciliter l'intégration des EnR au réseau électrique. Dans ce domaine, AREVA propose la Greenergy Box™, qui est un système incluant un électrolyseur et une pile à

<footnote n="20">²⁰ http://www.greencarcongress.com/2018/02/20180208-it.html</footnote>

<footnote n="21">²¹ Hydrogen Scaling up – Hydrogen Council Novembre 2017
http://hydrogencouncil.com/wp-content/uploads/2017/11/Hydrogen-scaling-up-Hydrogen-Council.pdf</footnote>

<footnote n="22">²² www.techniques-ingénieur du 10/04/2017</footnote>
hydrogène. Lors des pics de production, les surplus d'électricité sont utilisés pour l'électrolyse, l'énergie électrique excédentaire est stockée sous forme d'hydrogène. Cet hydrogène alimente ensuite la pile à combustible pendant les pics de consommation.

AREVA propose des installations modulaires de 20 à 100 KW de puissance. Un démonstrateur commercial est installé en Corse depuis 2012 (Projet MYRTE).

### Recyclage<fnref n="23" />

Le principal enjeu concernant le recyclage des piles à hydrogène est lié au Platine qu'il s'agit de récupérer. Ce métal est le principal composant du catalyseur permettant l'échange de protons au travers des « membranes catalytiques ».

Le platine est un métal très cher (25 000 € / Kg). Une pile à combustible de 80 KW en contient entre 30 et 40 g.

Le réemploi présente peu d'intérêt car la membrane catalytique qui représente le cœur de la pile est toujours endommagée en fin de vie.

Le démantèlement qui a pour but d'isoler les cellules doit intégrer des problématiques de sécurité spécifique liées au stockage d'hydrogène.

Ensuite, le procédé de recyclage doit isoler la membrane d'échange qui contient le platine. Cette membrane est en Nafion® (un fluoro polymère), susceptible de dégager du fluorure d'hydrogène (acide fluorhydrique - HF) particulièrement corrosif lors du recyclage. Plusieurs brevets ont été déposés (Umicore, BASF catalysts, Daimler...) mais à ce jour, aucun procédé n'a dépassé le stade du laboratoire.

Actuellement, rien ne peut garantir que les procédés de recyclage brevetés puissent être industrialisés, de nombreuses incertitudes demeurent sur les plans technique, économique (rentabilité des procédés) et environnemental (mesure des impacts). La faiblesse des volumes ne permet pas d'investir dans de tels procédés à échelle industrielle.

### 1.2.6.2 Batteries à circulation (Redox Flow batteries)

Le principe d'une batterie à circulation est le même que celui des batteries classiques. Il repose sur une réaction d'oxydation et une réaction de réduction au niveau de chacune des électrodes.

La particularité des batteries à circulation vient du fait que les réactifs sont en solution dans deux électrolytes différents, ils sont donc stockés dans deux réservoirs séparés et circulent dans deux demi-cellules étanches (la cellule anodique et la cellule cathodique)

Ces dernières sont séparées par une membrane semi-perméable qui autorise le passage des ions communs aux deux électrolytes (protons H⁺). Des pompes assurent la circulation des électrolytes afin de renouveler chaque réactif à la surface de l'électrode correspondante.

L'électrolyte circulant joue un rôle caloporteur, ce qui limite les risques d'échauffement de la batterie.

Mais le principal avantage provient du stockage de l'électrolyte à l'extérieur de la cellule électrochimique. Ceci permet de découpler la puissance disponible (qui dépend de la cellule électrochimique et plus particulièrement de la surface d'échange des électrodes, la perméabilité de la membrane et le flux d'électrolyte circulant) et la quantité d'énergie stockée (qui dépend de la quantité

<footnote n="23">²³ « Challenges in Automotive Fuel Cells Recycling » (Rikka Wittstock Alexandra Pehlken and Michael Wark – université de Oldenburg) Décembre 2016</footnote>
d'électrolyte disponible et donc uniquement de la taille des réservoirs). Les batteries à circulation apportent donc une grande flexibilité sur le dimensionnement et peuvent se positionner aussi bien sur des systèmes en puissance qu'en énergie.

Les électrodes sont généralement basées sur des matériaux carbonés (feutre de graphite). La technologie la plus mature a été brevetée en 1989 (Brevet Australien) et utilise le Vanadium, dissous dans de l'acide sulfurique pour les deux solutions électrolytiques. Ceci est rendu possible par le fait que le vanadium existe dans quatre états d'oxydation ($V^{2+}$, $V^{3+}$, $VO_2^{+}$, $VO^{2+}$) et peut former ainsi 2 couples redox : $V^{2+}/V^{3+}$ (cathode) et $VO_2^{+}/VO^{2+}$ (anode).

D'autres technologies font l'objet de recherche : Zinc-Cerium, Brome-Polysulfure, Chrome-Fer, Zinc-Brome.

Parmi elles, la batterie à flux Zinc-Brome mise au point par EXXON au début des années 1970 offre une densité d'énergie plus importante que les batteries au vanadium. C'est une batterie à flux dite hybride car un des composants électro-actif (dans ce cas le zinc) est sous forme solide et non stocké en solution. Cette technologie fait l'objet de plusieurs installations commerciales dans le monde mais la toxicité et la nature très corrosive du brome ainsi que la formation de dépôts solides de zinc (dendrites) pouvant percer la membrane séparatrice constituent des freins importants à son développement.

La batterie à flux au vanadium reste aujourd'hui la technologie la plus avancée. Le fait d'utiliser des espèces ioniques du Vanadium dans les deux électrolytes présente l'avantage de ne pas endommager le système en cas de contamination au travers de la membrane, ce qui n'est pas le cas pour les autres types de batteries à circulation.

## Principe de fonctionnement

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>**Fig 3** : Principe de fonctionnement d'une batterie à flux au vanadium</figcaption></figure>

A noter que pour les batteries redox, les termes « anodique » et « cathodique » se réfèrent toujours à la phase de charge.

Lors de la décharge, il y a libération d'électron (oxydation) au niveau de l'électrode négative,

$$V^{2+} \rightarrow V^{3+} + e^{-}$$

Et gain d'électrons au niveau de l'électrode positive (réduction)

$$VO_2^{+} + 2H^{+} + 2e^{-} \rightarrow VO^{2+} + H_2O$$

Les protons hydrogène traversent la membrane de la chambre cathodique vers la chambre anodique.
Outre l'avantage de sa modularité, la batterie à circulation au Vanadium a une très longue durée de vie (> 10 000 cycles / 10 à 20 ans) et une faible autodécharge.

De plus, le fait de rester déchargée pendant une longue période n'entraîne pas de dégradation. Et enfin, la batterie permet un mode de rechargement rapide par remplacement de l'électrolyte (ou plus lent par branchement à une source de courant).

Ces avantages en font un mode de stockage électrochimique qui apparaît particulièrement intéressant pour du stockage de longue durée et en grande capacité sur réseau électrique, malgré sa densité d'énergie massique relativement faible (10 à 20 Wh/Kg) qui n'est pas un obstacle majeur pour une utilisation en stockage stationnaire.

Un désavantage réside dans son rendement charge / décharge de 70 % qui est plutôt faible et s'inscrit dans le bas de la fourchette des différents types de batteries classiques.

## Mise en œuvre technique / sécurité

L'architecture d'installation d'une batterie à circulation est compliquée du fait du système de pompage et de circulation des électrolytes. (En comparaison, une installation de batteries classique consiste simplement à assembler des packs en série ou parallèle).

Le milieu chimique très corrosif des électrolytes (très acide pour les batteries redox au vanadium), génère des contraintes de sécurité liées aux risques de fuites et des couts importants sur la maintenance du circuit (pompes et canalisations).

La nature corrosive des électrolytes renchérit enfin les matériaux utilisables pour la membrane protonique.

La recherche dans le domaine des batteries à circulation se penche actuellement sur des composants hydrosolubles qui permettraient d'utiliser des solvants aqueux plutôt que des acides. L'université de Harvard a déposé des brevets dans ce domaine à partir de 2014 et la société Française Kemwatt a mis au point un prototype industriel présenté en 2016 de batterie à flux organique qui permet en outre une charge 1000 fois plus rapide qu'avec du vanadium. Le vanadium est remplacé par des quinones (composés organiques dérivés du benzène), non corrosifs et biodégradables ce qui est un avantage potentiel supplémentaire.

## Cout

Selon les usages (réponse à la demande de pointe, distribution ou microgrid), les coûts d'une batterie à flux sont de l'ordre de 184 à 413 $US /MWh.<fnref n="24" />

Ce cout a tendance à baisser avec la taille des installations. En effet, une fois l'installation réalisée, l'augmentation de capacité n'est liée qu'à l'augmentation de la quantité d'électrolyte.

## Potentiel de développement

Les batteries à flux, du fait de leur cout et de leur modularité sont déjà concurrentielles vis-à-vis des technologies Li-ion pour le stockage en amont du réseau électrique.

Elles sont particulièrement adaptées pour les fortes capacités et pour des durées de stockage supérieures à 4-6 h.

Lazard²² prévoit 5 à 8% de croissance par an pour ce type de batteries sur les 5 années à venir.

<footnote n="24">²⁴ Levelized cost of Storage Analysis – LAZARD November 2017
https://www.lazard.com/media/450338/lazard-levelized-cost-of-storage-version-30.pdf</footnote>
### Recyclage

Il n'existe aucune documentation concernant le recyclage des batteries à flux et la société Kenwatt sollicitée n'a pas répondu. Cependant, le fait que les composants principaux (réservoir, électrolytes, électrode et pompes) soient séparables lors du démontage est de nature à faciliter la réutilisation de chacun des composants ou leur recyclage (sous réserve de mise en œuvre des précautions nécessaires en matière de sécurité).

### 1.2.6.3 Supercondensateurs

Bien que le stockage d'énergie dans un supercondensateur, comme dans une batterie, soit basé sur sa capacité à transférer et à stocker des ions en solution dans un électrolyte, un supercondensateur n'est pas une batterie.

#### Principe de fonctionnement

En effet, dans une batterie, des réactions chimiques déplacent les ions de l'électrolyte vers l'intérieur ou en dehors de la structure atomique de la matière composant l'électrode, entraînant un changement de degré d'oxydation du matériau, selon la phase de charge ou de décharge. Alors que, dans un supercondensateur, c'est un champ électrique qui entraîne les ions à se déplacer vers (ou depuis) la surface des électrodes. Il n'y a pas de réaction d'oxydo-réduction, les ions ne font que s'adsorber ou se désorber (se fixer ou se détacher) des électrodes sans aucune réaction chimique.

Alors que les batteries sont des systèmes de stockage électrochimiques, les supercondensateurs sont des systèmes de stockage électrostatiques.

L'absence de réaction chimique a un impact important sur la cinétique de charge et de décharge. Contrairement à une batterie, la vitesse de charge d'un supercondensateur est extrêmement rapide. De même pour sa vitesse de décharge qui donne aux supercondensateurs une très grande densité de puissance.

De même il n'y a pas de dégradation des électrodes et de l'électrolyte liée à une répétition (cyclage) de réactions chimiques. De ce fait la cyclabilité des supercondensateurs est elle aussi beaucoup plus importante que celles des batteries (près de 1000 fois plus importante).

En revanche dans une batterie, les ions sont stockés dans le volume des matériaux d'électrodes alors que le supercondensateur, ne stocke les ions qu'à la surface de ses électrodes, ce qui explique leur densité d'énergie massique beaucoup plus faible.

Les supercondensateurs sont composés d'électrodes à base de carbone.

L'électrolyte (qui ne sert ici que de solution pour les espèces ioniques) est liquide et peut avoir des natures différentes. Les supercondensateurs utilisent actuellement des électrolytes aqueux, organiques ou des liquides ioniques.

Aujourd'hui la densité d'énergie massique maximale atteinte par les supercondensateurs commercialisés est de 10 Wh/Kg. Pour augmenter la densité d'énergie massique, la recherche travaille sur la structure des électrodes afin d'augmenter leur surface, permettant ainsi à une plus grande quantité d'ions de s'y adsorber. Le développement des nanotechnologies et la mise au point d'électrode en graphène et nanotubes de carbone permettent d'envisager une amélioration de la densité d'énergie massique des supercondensateurs dans les années à venir.
## Mise en œuvre technique / sécurité

Les supercondensateurs offrent une sécurité plus grande que les batteries sous réserve du respect de certaines contraintes et règles lors de la phase de charge. Même si certains électrolytes peuvent être inflammables en dehors d'une plage de fonctionnement qui s'étale de -40°C à 65°C, l'absence de réactions chimiques complexes en fait des systèmes plus faciles à maitriser de manière générale.

Le principal risque lié aux supercondensateurs est un risque électrique, au même titre qu'une batterie chargée.

## Cout

Même si le prix des supercondensateurs a baissé de manière très significative au cours des 15 dernières années, ils restent près de 10 fois supérieurs aux batteries Li-ion au regard de l'énergie fournie (en € / KWh).

En revanche, les supercondensateurs sont compétitifs pour des applications en puissance (en € / kW).

## Potentiel de développement

La grande cyclabilité des supercondensateurs permet de lisser efficacement la production électrique (les fluctuations de puissance) des parcs photovoltaïques et éoliens pour une meilleure intégration au réseau électrique.

Plutôt que d'envisager batteries et supercondensateurs comme des solutions concurrentes, il est plus pertinent de les considérer aujourd'hui comme des solutions complémentaires. En effet, la batterie peut être utilisée pour stocker une grande quantité d'électricité tandis que le supercondensateur, positionné en système d'énergie tampon, répond aux pics de puissance. On évite ainsi les sollicitations trop violentes sur la batterie qui altèrent sa durée de vie, tout en gagnant en puissance.

Les supercondensateurs peuvent également être utilisés sur tout type de véhicules (route et ferroviaire) pour les systèmes de récupération d'énergie lors du freinage ou pour alimenter les systèmes start & stop (voitures).

Enfin, des transports collectifs utilisent déjà des supercondensateurs plutôt que des batteries<fnref n="25" /> (BlueTram de Bolloré, bus électriques en Chine, bus électrique à supercondensateur Watt System développé par la société française PVI - Power Vehicule Innovation). Dans ce cas, la faible capacité en énergie est compensée par une recharge fréquente, qui peut être réalisée à chaque arrêt pendant la montée/descente des voyageurs avec des bornes de recharges adaptées. La très grande cyclabilité et la rapidité de charge des supercondensateurs permettent un fonctionnement de ce type.

Sa capacité de réponse extrêmement rapide en fait une technologie adaptée pour les applications de très courtes durées.

## Recyclage

En matière de recyclabilité, c'est la nature de l'électrolyte qui sera déterminant. Les électrolytes aqueux ou organiques posent à priori peu de problèmes. Les liquides ioniques qui pourraient permettent d'améliorer la densité d'énergie des supercondensateurs restent à évaluer vis-à-vis de leur toxicité et de leur élimination.

<footnote n="25">²⁵ En réalité, ces véhicules intègrent également une batterie en secours pour éviter d'être immobilisé en cas de défaut ou d'impossibilité d'accès aux points de recharge.</footnote>
## 1.3 Les grandes tendances du marché des applications et impact sur le marché des batteries

### 1.3.1 Croissance du marché des batteries (1990 – 2016)

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>**Fig 4 :** Evolution du marché mondial des batteries (Hors Plomb/acide)<fnref n="26" /></figcaption></figure>

Le graphique ci-dessus illustre la part prépondérante prise par le Li-ion dans la croissance du marché mondial (Hors Plomb-acide) au détriment des autres technologies. La dynamique s'est poursuivie en 2017 avec une forte croissance des batteries Li-ion à 118 GWh (90 GWh en 2016).

On peut noter la baisse du Ni-Cd à partir des années 2000 (du fait de restrictions d'utilisation) au profit du Ni-MH dans un premier temps (2010), partiellement remplacé par du Li-ion par la suite.

A partir de 2015, la part minoritaire des technologies Ni-Cd et Ni-MH semble stabilisée (les volumes se maintiennent en 2017).

On peut enfin noter sur ce graphique le développement de technologies alternatives... avec les batteries Na-S que nous avons déjà évoquées mais aussi les batteries à flux qui semblent également trouver leur place sur des applications de stockage de grande capacité.

Le graphique suivant, montre l'évolution globale du marché des batteries, cette fois-ci en intégrant la technologie Plomb-Acide. Même si les batteries Plomb/acide sont exclues du champ de l'étude, ce graphique a pour but de relativiser la croissance des batteries Li-ion sur le marché global des batteries. En effet, on constate que la technologie Plomb/acide reste largement prépondérante et sa dynamique de croissance au cours des dernières années démontre qu'elle le restera encore au moins à moyen terme. En effet, la technologie Pb/acide accapare encore une grande part de la croissance du marché mondial des batteries toutes applications confondues (en volume).

<footnote n="26">²⁶ Source AVICENNE ENERGY – Présentation au congrès batteries - Nice 2017</footnote>
<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>**Fig 5** : Evolution du marché mondial des batteries<fnref n="27" /></figcaption></figure>

## 1.3.2 Dynamiques de croissance en fonction des domaines d'applications

En revenant à la segmentation du marché proposée au chapitre 1.1, il est intéressant d'observer les dynamiques au sein des grandes familles d'application.

### 1.3.2.1 Applications stationnaires en secours

Sur ce marché dont les clients sont principalement des professionnels et des industriels, les technologies Plomb/acide et Ni-Cd dominent largement. Au-delà des performances attendues (et la densité d'énergie massique n'étant généralement pas fondamentale ici), la facilité d'utilisation, la fiabilité et le prix sont les principaux critères de sélection.

Les technologies Li-ion ne présentent donc pas d'avantages déterminants sur ces applications. L'équilibre des parts de marché devraient rester relativement stable, sur un marché dont la croissance globale devrait être comparable à la croissance moyenne mondiale du secteur industriel.

### 1.3.2.2 Applications stationnaires en cyclage

Ces applications concernent en très grande majorité le secteur du stockage de l'énergie sur des systèmes de productions à base d'EnR et/ou sur les réseaux de distribution.

Ces secteurs sont actuellement en pleine croissance et génèrent une demande pour les batteries Li-ion. En effet, Sur l'ensemble des projets de batteries à grande échelle (Parcs de production EnR, réseaux de distribution) mis en service en 2015, la part de marché du lithium-ion s'est établie à 90%<fnref n="28" />.

<footnote n="27">²⁷ Source AVICENNE ENERGY – Présentation au congrès Batteries – Nice 2017</footnote>

<footnote n="28">²⁸ BNEF Global Energy Storage Forecast 2016-2024</footnote>
Sur les systèmes de production individuels (stockage en aval du compteur), eux-aussi promis à un fort développement les batteries plomb/acide restent privilégiées pour des raisons de prix et de facilité d'utilisation. La baisse des prix des batteries Li-ion pourrait favoriser cette technologie au détriment des batteries plomb/acide à moyen terme. Mais c'est surtout l'arrivée prochaine sur le marché d'une offre de batteries Li-ion en seconde vie avec des prix compétitifs qui pourrait modifier la situation. Toutefois, si ce phénomène entraine un décalage de la fin de vie des batteries li-ion il ne créera pas une production supplémentaire. En revanche, il impactera la production de batterie plomb/acide qui perdront certainement des parts de marché sur ce segment. Le prix des batteries Li-ion en seconde vie sera un élément déterminant pour la croissance de ce marché.

Concernant les systèmes de stockage de grande capacité (> 1MW), les technologies Na-S, les batteries à circulation, les supercondensateurs, et les piles à combustibles semblent plus adaptées que le Li-ion. Chaque technologie ayant ses avantages et ses inconvénients en fonction des applications spécifiques (durée du stockage, lissage des pics de production/consommation, appel de puissance, modularité...). Ces technologies qui sont beaucoup moins sensibles à la chaleur que la technologie Li-ion peuvent également être intéressantes sur les micro-réseaux électriques en pays chaud ou ils ne nécessitent pas de conditionnement d'air, contrairement au Li-ion.

### 1.3.2.3 Applications mobiles : fonction secours

Les technologies Plomb et Ni-Cd sont majoritaires pour les fonctions en secours dans les secteurs du transport. L'équilibre des parts de marché devrait rester relativement stable sur un marché en croissance. Ici encore, la fiabilité, la robustesse et la sécurité du Ni-Cd et du Plomb sont des éléments déterminants.

En revanche, le Li-ion s'impose de manière quasi unanime pour des applications mobiles de plus petite taille et dans un environnement contrôlé (secteur tertiaire).

Ainsi les dispositifs médicaux et les batteries d'appoint pour un usage individuel utilisent maintenant majoritairement la technologie Li-ion.

### 1.3.2.4 Applications mobiles : véhicules

Le li-ion s'impose sur la plupart des segments de marché des véhicules électriques : véhicules tout électriques, véhicules hybrides, transports collectifs (bus électriques), voiturettes de golf... etc. Seul le secteur des transports collectifs expérimente encore quelques alternatives (supercondensateurs, pile à hydrogène...). Mais la domination du Li-ion favorise la baisse des prix liée à des économies d'échelle et accroit toujours plus son avantage sur les autres technologies rendant toujours plus difficile l'émergence d'une technologie concurrente à moyen terme.

A l'échelle mondiale, seules les solutions de mobilité électrique sur 2 roues (Véhicules à assistance électrique et dans une moindre mesure les scooters électriques), en croissance significative dans les pays en voie de développement peuvent encore utiliser des batteries au plomb, pour des raisons de coûts.

Encore très minoritaire dans ce secteur, le Li-ion commence même à concurrencer les batteries au plomb/acide sur les équipements de levage et manutention, les équipements de lavage industriel et les services aéroportuaires au sol.

Enfin, en Europe, les restrictions réglementaires accrues sur les batteries Plomb/acide ainsi que l'obligation pour les voitures de limiter les émissions de CO2 à 95 g/km dès 2022 (associée à des pénalités financières de 95 € / g supplémentaire) pourraient favoriser l'utilisation de la technologie Li-ion pour les batteries de démarrage grâce au gain de poids qu'elle permet.
De manière générale, le secteur de la mobilité électrique est aujourd'hui le principal débouché pour les batteries Li-ion. 50 % des cellules de batteries lithium-ion produites en 2016 étaient destinées au marché des VEH et bus électriques, cette proportion va encore s'accroitre à l'avenir.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>**Fig 6** : Applications du Li-ion en 2016 (Marché total = 90 GWh)- Source AVICENNE ENERGY (2017)</figcaption></figure>

### 1.3.2.5 Applications mobiles : équipements électroniques portables

Le secteur des équipements portables utilise en grande majorité des batteries Li-ion. Ce secteur a bénéficié d'une très forte croissance à partir des années 2000, tiré notamment par la téléphonie mobile, les laptop et tablettes ainsi que les applications Bluetooth en général.

Après une augmentation importante du taux d'équipement, la croissance de ce secteur marque le pas depuis 2014 mais reste encore un des principaux débouchés pour les batteries Li-ion. En effet, 35 % des cellules de batteries lithium-ion produites en 2016 étaient destinées aux équipements électroniques nomades (fig 6)

### 1.3.2.6 Applications mobiles : autres fonctions en autonomie

Cette catégorie d'application, dans laquelle on retrouve notamment les systèmes d'instrumentation en milieux industriel, le secteur du commerce (terminaux de paiement), les dispositifs médicaux et l'outillage sans fil est également en croissance et représente encore un débouché pour les technologies Li-ion.

### 1.3.2.7 Conclusion sur les dynamiques de marché

On peut distinguer deux types de marchés en fonction de leurs dynamiques de croissance :

1. Les marchés concernant la fonction secours sur applications stationnaires et mobiles et la fonction de cyclage sur applications mobiles et autres fonctions en autonomie qui sont des marchés matures. La croissance globale du marché des batteries sur ces segments d'application devrait donc suivre la dynamique de croissance économique globale.

En revanche, les parts de marché des technologies actuelles devraient évoluer avec un avantage pour le Li-ion au détriment du Plomb/acide et du Ni-MH et une stabilisation des parts de marché pour le Ni-Cd.

A moyen terme, cette dynamique a très peu de chance d'être modifiée par l'émergence de technologies alternatives (voir chap suivant - 1.3.3) qui viendraient concurrencer la domination du Li-ion et du Plomb/acide.
2. Les marchés de la mobilité électrique (VEH, VAE, Transports collectifs) ainsi que toutes les applications de stockage multiservices sur réseaux électriques (systèmes domestiques et industriels) sur lesquels on peut anticiper une croissance importante. Sur le marché de la mobilité électrique, les technologies Li-ion resteront très largement dominantes, la possibilité d'émergence d'une technologie concurrente étant quasi inexistante à moyen terme (voir chap suivant - 1.3.3).

Concernant les applications sur réseau électrique, même si la technologie Li-ion semble actuellement capter l'essentiel de la croissance, la multiplicité des services attendus et le niveau de maturité des technologies alternatives laissent entrevoir une place significative pour la technologie Na-S (qui a largement dominé le marché jusqu'ici et conserve près de 50 % des capacités installées), les batteries à circulation, voire piles à combustible et supercondensateurs notamment pour toutes les applications en « amont du compteur ». Les technologies Li-ion et Plomb/acide restant probablement dominantes sur les applications en aval du compteur (systèmes domestiques).

### 1.3.3 Dynamique de croissance de la technologie Li-ion et potentiel d'émergence de technologies concurrentes

#### 1.3.3.1 Bilan sur les 15 dernières années

Les chiffres d'évolution du marché des batteries Li-ion entre 2000 et 2016 communiqués par AVICENNE ENERGY (graphique ci-dessous) viennent illustrer et quantifier les dynamiques de croissance de cette technologie.

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>**Fig 7:** Ventes de batteries Li-ion dans le monde 2000-2016
Source: AVICENNE Energy 2017</figcaption></figure>

**Others:** équipements médicaux, outillage sans fil (bricolage et jardinage), Vélo à assistance électrique (VAE)

**Industrial, ESS :** Levage et manutention, stockage sur réseau électrique, réseaux télécom, secours (éclairage de sécurité, transport, backup équipements industriels), équipements médicaux.
Même si les catégories d'analyse présentées dans ce graphique ne sont pas totalement alignées avec la segmentation que nous avons proposée, on y retrouve les principaux éléments de conclusions concernant le marché des batteries Li-ion à savoir que :

- Le marché est en forte croissance depuis 15 ans

- La croissance du marché des batteries Li-ion est essentiellement liée au développement des équipements électroniques portables jusqu'au début des années 2010 et atteint un palier à partir de 2014

- Le principal relais de croissance à partir de 2010 est lié au développement des VEH et bus électriques.

- Le Li-ion trouve également de plus en plus de débouchés sur l'ensemble des secteurs industriels que ce soit en secours, en cyclage, pour des applications mobiles ou stationnaires (catégories others et Industrial/Energy Storage System).

### 1.3.3.2 Potentiel d'émergence de technologies concurrentes

Les progrès technologiques sur le marché des batteries sont lents (la densité d'énergie des systèmes électrochimiques a été multipliée par 5 à peine en 200 ans). Ceci est lié à la complexité des processus chimiques mis en jeu.

> « la mise au point de nouveaux dispositifs de stockage électrochimiques d'énergie, quels qu'ils soient, est un problème à plusieurs entrées, dont la complexité réside principalement (1) dans la formulation des électrodes, qui comprennent la matière active, un liant et un conducteur électronique, (2) dans le choix de la formulation de l'électrolyte liquide, gel ou polymère, mais surtout (3) dans la maîtrise des interfaces macroscopiques/microscopiques, qui sont les éléments clés de tout système électrochimique. Il va donc de soi que l'exercice allant de la conception du matériau de l'électrode à son utilisation dans un accumulateur nécessite une approche pluridisciplinaire, dans laquelle la chimie sous toutes ses formes – inorganique, organique ou chimie de surface – joue un rôle clé. »<fnref n="29" />

La durée importante entre la mise au point d'une technologie et son développement commercial (Time to market) est démontrée par les faits sur les technologies les plus récentes :

<table><caption>**Tab 4** : "Time to Market" des technologies récentes de batteries</caption><thead><tr><td>Technologies</td><td>Mise au point</td><td>Commercialisation</td><td>Time to market (années)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Ni-MH</td><td>1975</td><td>1990</td><td>15</td></tr><tr><td>Li-ion</td><td>1978</td><td>1991</td><td>13</td></tr><tr><td>Li-Polymère</td><td>1979</td><td>1996</td><td>17</td></tr></tbody></table>

Pour cette raison seule, les technologies non encore matures telles que Métal-Air, X-ion, Li-S (voir annexe 4 – Batteries du futur) peuvent difficilement prétendre concurrencer les technologies actuelles sur le moyen terme.

Mais il faut encore souligner que des investissements massifs ont déjà été réalisés au cours des dernières années sur la technologie Li-ion.

On constate ainsi que les investissements en R&D misent d'abord sur une amélioration des performances du Li-ion plutôt que l'émergence de technologies concurrentes. L'objectif prioritaire

<footnote n="29">²⁹ Jean Marie Tarascon (CNRS-RS2E) – Leçon inaugurale au collège de France (9/12/2010)</footnote>
étant de fabriquer des batteries qui permettent de produire des véhicules électriques au prix d'un véhicule thermique (un véhicule électrique coute environ 30 % de plus qu'un véhicule thermique et la batterie compte actuellement pour un tiers du cout total d'un véhicule électrique), et avec une autonomie comparable. En effet, le marché des véhicules électriques est vu à juste titre comme le principal vecteur de croissance du marché des batteries Li-ion<fnref n="30" />.

La R&D a donc fortement investit sur :

* L'amélioration de la densité énergétique pour augmenter l'autonomie des VEH,

* L'amélioration de la sécurité, même au prix d'une baisse de performance (technologie LFP), pour lever les réticences du marché sur ce point.

* L'augmentation de la rapidité de charge qui est un autre moyen de compenser une moindre autonomie (même si la répétition de cycles de charges rapides nuit dans tous les cas à la cyclabilité),

* L'utilisation de matériaux permettant de baisser le cout de fabrication.

Après la mise au point des batteries Li-ion NCA et surtout des différentes variantes de NMC, les marges de progrès liés aux matériaux constitutifs de la cathode sont maintenant réduites, la R&D se concentre aujourd'hui principalement sur la mise au point de batteries à électrolyte solide et dans une moindre mesure sur les anodes au silicium qui présentent une plus grande capacité d'insertion.

Mais les investissements concernent surtout les capacités de production. AVICENNE ENERGY indique que 10 à 12 Milliards de $ US ont été investis entre 2011 et 2014 dans le monde pour la fabrication de batteries li-ion, correspondant à une capacité de production de 50 GWh.

7 Milliards de $ USD supplémentaires ont été investis entre 2014 et 2017 par 3 acteurs : TESLA (5 Mds), BYD (1,2 Mds) et ATL (1 Mds).

D'après BNEF (Bloomberg New Energy Finance)<fnref n="31" />, 116 GWh de capacités de production de batteries Li-ion sont actuellement en commandes dans le monde et un total de 289 GWh supplémentaires sont annoncés pour 2030 par rapport à 2017.

Les investissements dans les capacités de production sont aujourd'hui, avant la R&D, le principal facteur de baisse du cout du Li-ion grâce aux économies d'échelle qu'ils permettent de réaliser. Et c'est avant tout le développement du marché des véhicules électriques qui sert de débouché aux batteries Li-ion.

Les deux déterminants du marché sont la performance et le cout. Le cout du Li-ion est aujourd'hui autour de 200 USD/KWh et offre encore quelques marges d'amélioration de performance aussi bien en matière de densité d'énergie que de sécurité (avec les technologies tout solide). BNEF estime que le cout pourrait encore décroître à 100 USD/KWh en 2025. Aujourd'hui aucune technologie concurrente n'offre un rapport cout performance équivalent dans le domaine des applications mobiles. Un hypothétique développement d'une technologie concurrente nécessiterait des investissements importants, captés aujourd'hui par la technologie Li-ion.

Pour les fabricants, les enjeux financiers sont considérables et ce n'est pas un hasard si ce sujet occupe une part importante dans le secteur automobile et les médias. En effet, imposer la technologie Li-ion sur un marché du véhicule électrique qui ne pèserait que 10 % du marché total des véhicules

<footnote n="30">³⁰ Si on considère qu'une batterie de VEH est dimensionnée en moyenne pour une capacité de 35KWh, la vente d'un million de véhicules électriques nécessite une capacité de production de batteries de 35 GWh !</footnote>

<footnote n="31">³¹ Présentation par James Frith au congrès de Nice le 5/10/2017</footnote>
représente déjà un marché équivalent à près de 350 GWh<fnref n="32" />, soit quatre fois le marché actuel de toutes les batteries Li-ion !

Il est intéressant de noter que les investissements massifs déjà réalisés face à un marché du véhicule électrique qui décolle moins vite qu'espéré entrainent des surcapacités de production. Ceci semble expliquer le succès du Li-ion en matière de stockage sur réseau électrique, cette technologie s'étant octroyé 85 % des systèmes installés en 2015 dans le monde<fnref n="33" /> alors que le poids et l'encombrement réduit du Li-ion sont ici des critères moins importants que le prix. Les fabricants feraient donc preuve d'une forte agressivité commerciale pour vendre leur surproduction<fnref n="34" />.

Le comportement des investisseurs et leur attente en matière de retour sur investissement est probablement encore un obstacle supplémentaire à l'émergence de technologies concurrentes au Li-ion dans les années à venir en particulier sur le marché des véhicules électriques qui est potentiellement le principal levier de croissance.

Les politiques publiques favorisent également le développement des VEH à batteries à travers le financement de l'infrastructure de recharge (investissements directs et incitations fiscales) ainsi que des mesures d'interdiction des voitures à moteurs thermiques (Norvège en 2025, Pays-Bas, Inde en 2030, France et Royaume Uni en 2040, Chine avec un calendrier qui reste à établir...)

Le Li-ion conservera donc son leadership sur la grande majorité des applications ou il est utilisé aujourd'hui et notamment le VEH car c'est un choix technologique mais aussi industriel de la part des principaux acteurs publics et privés.

Les batteries Li-ion continueront (avec le Plomb) à s'accaparer la majeure partie de la croissance du marché des batteries. Selon Avicenne Energy, en 2016 le Li-ion s'arroge 30% des 60 Mds de $ US du marché total des batteries. Et cette technologie a accaparé 60 % de la croissance en valeur du secteur au cours des cinq dernières années.

## 1.4 Conclusion sur l'évolution du marché des batteries en volume

Dans cette partie nous continuons à quantifier le marché des batteries par sa capacité de stockage (exprimée en GWh) qui est l'indicateur utilisé par les analystes. En revanche, lorsque nous aborderons la partie recyclage, nous proposerons des équivalences en poids pour évaluer le marché du recyclage en tonnes (voir § 4.4).

### Ni-Cd :

Les dynamiques de marché sont identifiées. Les atouts spécifiques de la technologie Ni-Cd lui assurent des débouchés stables sur plusieurs segments du marché industriels, malgré les restrictions réglementaires sur son utilisation.

En 2016, le marché mondial des batteries Ni-Cd représente 2,2 GWh pour 1,5 Mds USD.

Ce marché devrait rester relativement stable sur les années à venir, voire évoluer à la hausse en suivant la progression des segments de marchés industriels qui utilisent cette technologie.

<footnote n="32">³² Les données de l'OICA (Organisation Internationale des Constructeurs automobiles) indique que 94 Mi de véhicules (tous types confondus dont moins d'1 Mi de VEH) ont été vendus en 2016 (64 Mi en 2005) – Moins de 3 Mi de VEH sont en circulation dans le monde fin 2016 (0,1 % du parc en circulation de véhicules légers)</footnote>

<footnote n="33">³³ La course aux batteries électriques – IFRI – Juillet 2017
https://www.ifri.org/sites/default/files/atoms/files/mathieu_batteries_2017_0.pdf</footnote>

<footnote n="34">³⁴ https://www.usinenouvelle.com/editorial/le-roi-li-ion.N473148 et
http://m.lesechos.fr/redirect_article.php?id=0203704300561</footnote>
## Ni-MH

Les atouts spécifiques du Ni-MH lui assurent des débouchés stables sur quelques segments de marché. Cependant, cette technologie devrait encore se faire grignoter quelques parts de marché par le Li-ion sur certaines applications, notamment l'outillage sans fil.

En 2016, le marché mondial du Ni-MH représente 2,8 GWh / 1,5 Mds USD

Ce marché devrait évoluer légèrement à la baisse sur les années à venir

## Li-ion

Nous avons vu que l'utilisation de la technologie Li-ion est en forte croissance sur les 15 dernières années. Elle domine plusieurs segments de marché sur lesquels elle ne trouvera pas de technologie concurrente à moyen terme.

En 2017, le marché mondial des batteries Li-ion représente 120 GWh pour près de 40 Mds USD. (dont 70 GWh pour la mobilité électrique, 30 GWh pour les équipements électronique portable et 20 GWh pour le reste).

Le Li-ion va continuer à gagner des parts de marché (sur le Ni-MH et le Plomb/acide) sur certains segments d'applications (outillage sans fil, levage et manutention...) dont la maturité limite le potentiel global de croissance.

Le Li-ion devrait également se développer sur le stockage stationnaire de petite capacité (notamment en aval du compteur) mais ce marché ne devrait pas représenter plus de 10% du volume des ventes par rapport au marché de la mobilité.

C'est la croissance annoncée du marché des VEH qui sera le principal vecteur de croissance. C'est donc lui qui détermine également la trajectoire de performance et de couts des batteries Li-ion.

D'après AVICENNE ENERGY, le marché global des batteries Li-ion pourrait atteindre 520 GWh en 2025. Nous verrons cependant dans la partie prospective que cette estimation nous semble plutôt optimiste et surestime notamment la croissance du marché des VEH. Les scénarii que nous étudierons évoluent entre 365 GWh et 408 GWh en 2025.
Li-ion Battery sales, MWh, Worldwide, 2000-2025

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>**Fig 8** : les prévisions de ventes de batteries Li-ion en fonction des segments d'application
Source Avicenne Energy – Congrès de Nice Octobre 2018</figcaption></figure>

Na-S / batteries à circulation

La technologie Na-S reste la plus utilisée pour le stockage de grande capacité (> 1MW) sur réseau électrique. Les batteries à circulation devraient trouver leur place sur ce marché grâce à leur modularité.

Ces technologies sont particulièrement adaptées pour les systèmes insulaires, sites isolés et micro-grids.

En 2016, le marché mondial sur ce type de batteries représente 3 GWh pour 1,6 Mds USD et la mise en service de la même capacité est d'ores et déjà contractualisée d'ici fin 2019.

Dans une étude parue en Novembre 2017 et concernant l'analyse des couts de stockage d'énergie Lazard<fnref n="35" /> prévoit 5 à 8% de croissance par an pour le marché des batteries à flux sur les 5 années à venir.

Piles à combustible et Supercondensateurs

Le marché des piles à combustibles et des supercondensateurs devrait connaitre une progression lente. Ces technologies n'ayant pas trouvé leur marché sur la mobilité électrique face au Li-ion, elles sont encore chères et devraient rester cantonnées en tout cas à moyen terme sur des applications spécifiques à vocation essentiellement démonstratives.

<footnote n="35">³⁵ Levelized cost of Storage Analysis – LAZARD Novembre 2017
https://www.lazard.com/media/450338/lazard-levelized-cost-of-storage-version-30.pdf</footnote>
## 1.5 Les acteurs du marché des batteries

Les graphiques suivants montrent les parts de marché en volume et en valeur des leaders sur le marché de la fabrication des batteries Li-ion (Source AVICENNE ENERGY – Congrès de Nice 2017).

(NB : En 2018, les parts de marché des fabricants Chinois se sont encore accrues<fnref n="36" />)

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>**Fig 9 :** PDM Li-ion - marché total 6,4 Mds de cellules en 2016</figcaption></figure>

<table><thead><tr><td>Fabricants</td><td>Pays d'origine</td></tr></thead><tbody><tr><td>Samsung SDI</td><td>Corée du Sud</td></tr><tr><td>LG Chem</td><td>Corée du Sud</td></tr><tr><td>Panasonic-sanyo</td><td>Japon</td></tr><tr><td>Sony</td><td>Japon</td></tr><tr><td>Tesla</td><td>US</td></tr><tr><td>CATL</td><td>Chine</td></tr><tr><td>BYD</td><td>Chine</td></tr><tr><td>BAK</td><td>Chine</td></tr><tr><td>Lishen</td><td>Chine</td></tr><tr><td>Maxell</td><td>Japon</td></tr><tr><td>Coslight</td><td>Inde</td></tr><tr><td>AESC</td><td>Japon</td></tr><tr><td>First New Energy</td><td>Chine</td></tr><tr><td>YUASA</td><td>Japon</td></tr><tr><td>Microvast</td><td>Chine</td></tr><tr><td>CALB</td><td>Chine</td></tr><tr><td>A123</td><td>Chine</td></tr><tr><td>Zhuoneng</td><td>Chine</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>**Tab 5 :** pays d'origine des principaux fabricants de batteries Li-ion</figcaption></figure>

<caption>**Fig 10 :** PDM Li-ion – marché total 31 Mds de USD en 2016</caption>

Le marché mondial de la fabrication des batteries est largement dominé par le continent asiatique et notamment par la Chine. Ceci est particulièrement vrai pour les batteries Li-ion qui génèrent des investissements massifs sur les dernières années. Au regard des plans d'investissement, le déséquilibre devrait encore s'accentuer dans les années à venir comme le montrent les prévisions de BNEF (présentation au congrès de Nice – octobre 2017)

<footnote n="36">³⁶ http://www.koreaherald.com/view.php?ud=20190208000483</footnote>
<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>**Fig 11** : Répartition des capacités de production de batteries Li-ion sur un total de 116 GWh en production ou en construction en 2017</figcaption></figure>

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>**Fig 12** : Répartition des capacités de production de batteries Li-ion sur un total de 289 GWh annoncées (incluant les prévisions d'investissements) en 2021</figcaption></figure>

Malgré les capacités excédentaires actuelles de production de batteries Li-ion, le marché continue à parier sur une croissance importante des VEH (et EnR dans une moindre mesure) et les fabricants poursuivent leur politique d'investissement massif.

La domination des entreprises asiatiques sur le marché des batteries Li-ion est fortement liée à des stratégies nationales, elles-mêmes portées par des politiques publiques de soutien financier et d'emménagement du cadre réglementaire.

Pour tous les pays leaders, le soutien à un développement du marché domestique contribue fortement à l'émergence de champions nationaux qui s'imposent ensuite sur le marché mondial.

Ainsi la situation insulaire du Japon, la mise à l'arrêt et le lent redémarrage de sa production d'électricité d'origine nucléaire suite à la catastrophe de Fukushima a nécessité un développement rapide des EnR. Le gouvernement a mis en place des politiques de subventions qui incitent à la fois au développement du stockage domestique et sur réseau afin de réguler les variations de production. Le Japon est aujourd'hui le premier marché pour le stockage stationnaire sur réseau électrique et l'entreprise NGK Insulators, détient près de 50 % de part de marché dans le monde pour le stockage stationnaire de grande capacité avec sa technologie de batteries Na-S. De la même manière, Panasonic, un des principaux fabricants mondiaux de batteries Li-ion étend sa base de client au-delà de l'électronique portable en s'appuyant sur ce marché domestique du stockage stationnaire.

La Corée du Sud, confrontée à une forte augmentation de sa consommation électrique du fait de la croissance de son secteur industriel, n'ayant pas d'interconnexions transfrontalières (comme c'est le cas pour les pays européens) permettant de pallier à sa consommation et souhaitant limiter sa dépendance aux importations d'énergies fossiles mise également sur un fort développement du secteur éolien et photovoltaïque. Là aussi les politiques incitatives offrent de larges débouchés aux champions nationaux tels que LG Chem ou Samsung SDI et favorisent également leur extension à l'international (LG Chem termine actuellement la construction d'une usine de fabrication de batteries Li-ion en Pologne, Samsung en Hongrie)

La Chine affiche de son côté un volontarisme très fort concernant le marché du véhicule électrique. En s'appuyant là encore sur la taille de son marché domestique et des politiques publiques incitatives, la Chine représente plus de 50 % du marché des VEH dans le monde. Dans le cas de la Chine, le développement du marché des VEH répond aussi à des problématiques nationales dont la nécessité de réduire la pollution atmosphérique dans les zones urbaines ainsi que la réduction de sa dépendance au pétrole qui est à 60 % liée au secteur du transport<fnref n="37" />. Le développement du véhicule

<footnote n="37">³⁷ La course aux batteries électriques – IFRI – Juillet 2017</footnote>
électrique représente également pour la Chine, une opportunité de propulser des entreprises nationales sur le marché mondial de l'automobile. Ainsi, le *vehicle traction battery Industrial development action plan* publié en Mars 2017 vise une capacité de production nationale de 100 GWh en 2020, encourage la R&D et favorise la consolidation du secteur.

Conscients de leur retard, les Etats-Unis ont mis en œuvre plus récemment des politiques de soutien à la R&D dans le domaine des batteries pour le stockage stationnaire et la mobilité (en particulier au travers de l'Advanced Research project Agency – Energy appartenant au DOE<fnref n="38" />), des politiques financières incitatives pour développer l'autoconsommation (Self generation incentive program en Californie), le marché du véhicule électrique (crédit d'impôt fédéral de 7500 USD) ainsi que l'aide au développement de capacités de production dont TESLA est aujourd'hui un des principaux bénéficiaires. Les politiques incitatives mises en œuvre au niveau fédéral sont accompagnées par des incitations complémentaires décidées au niveau des états soit pour favoriser le développement des « énergies vertes » (Californie) ou pour attirer les investissements (le Nevada a consenti près de 1,3 Mds d'USD d'avantages fiscaux à TESLA pour l'installation de sa *Gigafactory*).

L'Europe de son coté, malgré un potentiel important sur son marché domestique lié à la fois à la taille de son marché automobile et au développement du stockage stationnaire associé aux énergies renouvelables a pris un retard significatif dans la fabrication de batteries. L'Europe dispose pourtant de ressources avancées en R&D au travers notamment du CEA en France ou de l'institut Fraunhofer en Allemagne et d'un tissu industriel sur lequel s'appuyer avec des champions de l'industrie automobile et des énergéticiens de classe mondiale.

Cependant, les investissements massifs déjà réalisés ailleurs et les surcapacités actuelles laissent peu de place à l'émergence de fabricants européens de taille mondiale à court/moyen terme sur le marché de masse des batteries Li-ion. Seuls les projets Northvolt en Suède avec 4 Mds d'€ d'investissement pour une capacité de production de 32 GWh/an (2024) et TERRA-E en Allemagne (34 GWh en 2028) affichent une ambition comparable aux principaux acteurs mondiaux.

En dehors de ces projets, les autres investissements sur des capacités de fabrication en Europe sont principalement portés par des entreprises asiatiques qui souhaitent se positionner à proximité de marché potentiels (Samsung SDI en Hongrie – 300 Mi € / LG Chem en Pologne – 320 Mi €).

Cependant, ceci n'empêche pas l'existence d'acteurs européens de taille mondiale qui restent positionnés sur des marchés plus spécifiques et à haute valeur ajoutée (tels que SAFT parmi les leaders mondiaux sur les batteries Ni-Cd et qui reste encore un des principaux fabricants de cellules Li-ion en Europe).

Malgré une apparente volonté politique concernant la mise en place d'un « Airbus de la batterie » ou d'une « Batteries Alliance » on peine à identifier une réelle stratégie industrielle européenne sur le sujet. Le PDG de Saft lui-même (interview du 4/02/2019) reconnait que l'Europe a déjà perdu l'avantage vis-à-vis de la Chine. Il ajoute cependant que le recyclage des batteries Li-ion reste un enjeu fort qui n'est pas encore correctement adressé et que la maitrise de ce secteur pourrait servir à établir des standards de recyclage qui pourrait eux-mêmes servir de levier pour contraindre les fabricants Chinois.

A plus long terme, La mise au point des batteries Li-ion « tout solide » portée notamment par SAFT (avec un objectif de commercialisation à partir de 2023), si elle apporte une réelle rupture technologique pourrait représenter une opportunité pour l'Europe de se replacer sur le marché de la fabrication des batteries. Mais faudrait-il encore que les acteurs du marché aval (les constructeurs automobiles européens) s'engagent à leur côté pour sécuriser de lourds investissements... A l'heure

<footnote n="38">³⁸ Department of Energy</footnote>
actuelle Volkswagen Ford, Daimler, Renault et Nissan utilisent des batteries fabriquées par CATL et
BYD tous les deux chinois.

A plus long terme, la mise au point de la technologie Li-Air qui apporte elle aussi une rupture technologique pourrait offrir l'opportunité pour repositionner l'industrie européenne sur le secteur de la fabrication... mais pas avant 2025/2030 dans le meilleur des cas.

## 2 Enjeux et déterminants du marché des batteries et de leur recyclage

Au-delà des applications et de leurs exigences en matière de stockage et restitution d'énergie qui conditionnent le marché des batteries comme nous l'avons vu dans la première partie de cette étude, d'autres facteurs peuvent influer ce marché et surtout celui du recyclage. Il s'agit notamment de la réglementation, de l'écoconception, de la sécurité (batteries Lithium), du potentiel de seconde vie (batteries Li-ion), du cout et de la disponibilité des métaux.

Les futurs enjeux étant liés essentiellement à la technologie Li-ion, la suite de l'étude, sans ignorer totalement les autres technologies, se concentrera principalement sur celle-là.

### 2.1 Synthèse réglementaire

A l'échelle internationale, le transport des batteries usagées est réglementé pour des raisons de sécurité.

Les batteries Lithium-ion sont réglementées pour tous types de transport (y compris lorsqu'elles ne sont pas usagées dans le cas du transport aérien). Elles sont soumises aux réglementations suivantes<fnref n="39" /> :

* Aérien (IATA DGR: International Air Transport Association, Dangerous Goods Regulations),

* Maritime (IDMG Code: International Maritime Dangerous Goods Code)

* Terrestre (route /rail) (ADR / RID: ADR / International Statutory Order on the Conveyance of Dangerous Goods by Rail).

En Europe, les batteries usagées au Ni-Cd et au Ni-MH sont également réglementées pour leur transport terrestre (règlement ADR: European Agreement concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road).

Ces obligations qui s'appliquent, concernent en particulier l'étiquetage et le conditionnement. Les réglementations nationales peuvent éventuellement renforcer la réglementation internationale.

Concernant le recyclage des batteries en fin de vie la réglementation varie d'un pays (ou continent) à l'autre. La synthèse réglementaire ne propose pas un tour d'horizon exhaustif de tous les pays du monde. On peut cependant mentionner qu'en dehors de l'OCDE, la plupart des pays n'ont aucune réglementation spécifique concernant la fin de vie des batteries. Parmi les pays ayant mis en place une réglementation, seule l'Europe, le Japon et quelques états canadiens s'appuient sur le principe de la responsabilité élargie du producteur. La Chine, qui concentrera les plus gros tonnages de batteries

<footnote n="39">³⁹ Shipping guidelines for Li-ion batteries: https://www.texim-europe.com/getfile.ashx?id=108643</footnote>
en fin de vie dans les années à venir exprime sa volonté de mettre en place une réglementation sur un modèle comparable afin de structurer une filière de recyclage efficace.

En ce qui concerne le périmètre « produit », les supercondensateurs sont toujours exclus du champ réglementaire des batteries puisqu'ils ne sont pas un système de stockage chimique.

## Europe

### Cadre général

La réglementation européenne définit un déchet comme « toute substance ou tout objet dont le détenteur se défait ou dont il a l'intention ou l'obligation de se défaire » (Art.3 de la directive-cadre déchet 2008/98/CE).

La nomenclature européenne des déchets permet de classifier les déchets d'accumulateurs.

<table><thead><tr><th>N° rubrique</th><th>Déchet</th></tr></thead><tbody><tr><td colspan="2">CHAPITRE 16 : DECHETS NON DECRITS AILLEURS DANS LA LISTE</td></tr><tr><td>16 06 01*</td><td>Accumulateurs au plomb</td></tr><tr><td>16 06 02*</td><td>Accumulateurs Ni-Cd</td></tr><tr><td>16 06 03*</td><td>Piles contenant du mercure</td></tr><tr><td>16 06 04</td><td>Piles alcalines (sauf rubrique 16 06 03*)</td></tr><tr><td>16 06 05</td><td>Autres piles et accumulateurs</td></tr><tr><td>16 06 06*</td><td>Electrolytes de piles et accumulateurs collectés séparément</td></tr></tbody></table>

Alors que les batteries au Plomb et au Ni-Cd sont classées en tant que déchet dangereux (l'étoile « * » accolée au code de nomenclature définit le caractère dangereux du déchet), on note que les autres batteries (et notamment Li-ion et Ni-MH) n'ont pas d'entrée spécifique. Ces types de batteries en fin de vie sont ainsi classifiées sous le code 16 06 05 qui ne leur attribue pas automatiquement un caractère dangereux. La question de la dangerosité des batteries autres que Plomb et Ni-Cd n'est donc pas tranchée par la nomenclature.

En l'absence de classification clairement établie via la nomenclature des déchets, et considérant que ces batteries contiennent un certain nombre de substances dangereuses, il est nécessaire d'approfondir la question de leur classement en tant que déchet. Pour cela, la réglementation prévoit que la dangerosité d'un déchet doit être étudiée au regard des 15 propriétés de danger (HP1 – HP15) codifiées et précisées par le règlement UE n° 1357/2014 du 18/12/2014.

Après analyse de la présence de substances dangereuses en fonction des seuils réglementaires et une analyse d'accidentologie pour différentes typologies de batteries au Lithium, un rapport de l'INERIS<fnref n="40" /> conclut qu'un classement automatique et officiel des déchets de batteries au lithium comme dangereux, via la proposition d'une entrée spécifique de la nomenclature pourrait être justifié.

En l'état actuel, le classement des batteries (hors Pb et Ni-Cd) en fin de vie en tant que déchet non dangereux facilite leur exportation. Au-delà des recommandations de l'INERIS, la volonté de sécuriser les approvisionnements en métaux stratégiques au sein de l'UE, pourrait également encourager à un classement en déchets dangereux.

<footnote n="40">⁴⁰ « Déchets de batteries au lithium : classement et état des lieux des filières de gestion » (INERIS-DRC-14-141681-06454A – Juillet 2014)</footnote>
Quoiqu'il en soit, le transport de batteries en fin de vie reste soumis au règlement ADR (transports par route de matières dangereuses).<fnref n="41" />

## La réglementation spécifique sur les batteries en fin de vie

Les obligations réglementaires spécifiques concernant les batteries en fin de vie sont dictées par la directive 2006/66/CE qui met en place une filière à responsabilité élargie du producteur<fnref n="42" />. La directive « batteries » définie également le périmètre produit en nommant batterie, « toute source d'énergie électrique obtenue par transformation directe d'énergie chimique » (Art. 3 de la directive). A ce titre, les piles à combustible entrent donc dans le champ de la directive.

La réglementation définit :

* Les batteries portables, susceptibles d'être portées à la main qui sont principalement les batteries d'usage courant que l'on trouve notamment dans tous les produits informatique, bureautique, télécom, outillage électroportatif. Leur gestion est assurée par des organisations mutualisées (des éco-organismes) mises en œuvre dans chaque état membre par les producteurs. Ils ont une obligation de résultat (en 2016, ils doivent collecter l'équivalent de 45 % en poids de la moyenne des quantités mises sur le marché au cours des trois années précédentes). Selon Eurostat, 97 000 tonnes ont été collectées en 2017 (sur 217 000 tonnes mises sur le marché)

* Les batteries automobiles qui sont destinées à alimenter un système de démarrage, d'éclairage ou d'allumage automobile. L'organisation de leur gestion est laissée à l'initiative des metteurs sur le marché. Celle-ci est particulièrement efficace puisque ces batteries sont exclusivement des batteries au plomb utilisées pour les véhicules à moteur thermique dont la valeur intrinsèque finance largement l'ensemble du circuit de reprise.

* Les batteries industrielles qui sont utilisées à des fins exclusivement industrielles ou professionnelles ou utilisées dans tout type de véhicule électrique. C'est sur cette catégorie de batteries qu'on assiste à la plus forte croissance puisqu'on y trouve aussi bien les batteries de VEH que les batteries associées au développement des EnR. Sur ce segment, les metteurs sur le marché s'organisent librement, de manière individuelle ou collective pour assurer la gestion de leurs batteries en fin de vie. A l'échelle européenne il n'existe pas de données consolidées comme pour la filière portable. Eurostat évalue à 190 000 tonnes les quantités mises sur le marché en 2017, ce qui semble sous-évalué (En France uniquement, les mises sur le marché de batteries industrielles représentent 62 905 tonnes en 2017⁴³).

La directive interdit en outre l'usage de batteries Ni-Cd pour les applications portables.

Enfin, la réglementation européenne a des exigences sur l'efficacité des procédés de recyclage (rendement de recyclage) :

* Un minimum de 65 % de leurs poids moyens pour les accumulateurs au Plomb

* Un minimum de 75 % de leurs poids moyens pour les piles et accumulateurs au Ni-Cd

* Un minimum de 50 % de leur poids moyen pour toutes les autres piles et accumulateurs

Malgré le règlement 493/2012 qui complète la directive 2006/66/CE en clarifiant les modalités de calcul des rendements de recyclage afin qu'elles soient homogènes pour l'ensemble des pays membres, la situation n'est pas encore clarifiée. Selon Eurostat, plusieurs états membres affichent des

<footnote n="41">⁴¹ Les batteries Li-ion, Ni-MH appartiennent à la classe 9 de l'ADR : « Matières et objets divers dangereux pour l'environnement »</footnote>

<footnote n="42">⁴² http://ec.europa.eu/environment/waste/batteries/legislation.htm</footnote>

<footnote n="43">⁴³ Rapport 2018 (données 2017) du registre SYDEREP</footnote>
rendements > 80 % et qui frôlent parfois les 100% sur la catégorie « autres piles et accumulateurs ». Alors que la France ou la Belgique qui ont des installations réputées performantes affichent des rendements de 75 % en 2017 sur cette catégorie (61 % en 2016).

Ceci est dû à des différences d'interprétation concernant la prise en compte des différentes fractions dans le bilan de recyclage (les scories, les matières carbonées lorsqu'elles servent d'agent réducteur dans les procédés thermiques, l'enveloppe extérieure, etc..). En effet, bien que la DG Environnement ait publié des « guidelines » pour clarifier les modalités de calcul<fnref n="44" />, celles-ci n'ont pas de caractère obligatoire puisque seule la Cour Européenne de Justice a la compétence pour statuer de manière contraignante sur l'interprétation d'une directive.

Les recycleurs partenaires de la filière française de gestion des piles et accumulateurs en fin de vie communiquent annuellement leurs données au Ministère chargé de l'environnement (actuellement le Ministère pour la Transition Ecologique et Solidaire - MTES). En 2017, les rendements de recyclage moyens à l'échelle nationale sont de 79 % pour le Ni-Cd et 75 % en données agrégées sur les autres catégories (hors Plomb)<fnref n="45" />. Le MTES dispose de données plus précises (rendement de recyclage par installation, par couples chimiques détaillés au sein de la catégorie « autres P&A » mais aussi la destination des fractions sortantes).

Les rendements de recyclage exigés par la directive sont donc dépassés en France et par les principaux acteurs européens du secteur du recyclage qui drainent des volumes sur l'ensemble de l'Europe (Umicore, Accurec, Redux...) mais le sujet n'est pas épuisé. Par exemple, Accurec publie sur son site le calcul du rendement de son procédé de recyclage sur le Li-ion<fnref n="46" />, validé par un audit. Ce rendement atteint 65,2 %, ce qui est relativement élevé pour un procédé pyro-métallurgique. Mais on peut noter qu'Accurec inclut dans ce calcul 12,2 % correspondant au graphite utilisé comme agent réducteur des oxydes métalliques en phase de pyrolyse, ce qui peut prêter à discussion.

La réévaluation des rendements de recyclage pourrait être envisagée dans le cadre de la révision de la directive batteries (nouvelle directive prévue pour 2022), au risque d'augmenter le cout des procédés et créer des distorsions de concurrence sur un marché du recyclage mondialisé.

Dans l'exemple ci-dessous de la composition moyenne d'une batterie Li-ion de type LCO, on note par exemple que sans la récupération des matières organiques (séparateurs, anode, électrolyte et autres), qui ne sont généralement pas récupérés par les procédés actuels, et même avec un rendement de recyclage de 100 % sur tous les autres composants (casing, cathode et collecteurs Al et Cu), il est impossible d'atteindre plus de 63 % de taux de recyclage.

<table><caption>Tab 6 : Composition moyenne d'une batterie LCO (de type portable)<fnref n="47" /></caption><thead><tr><th>Battery component</th><th>Product data sheets<br>in mass-%</th><th>Self-determined</th></tr></thead><tbody><tr><td>Casing</td><td>~20-25</td><td>~25</td></tr><tr><td>Cathode material (LiCoO<sub>2</sub>)</td><td>~25-30</td><td>~25</td></tr><tr><td>Anode material (graphite)</td><td>~14-19</td><td>~17</td></tr><tr><td>Electrolyte</td><td>~10-15</td><td>~10</td></tr><tr><td>Copper electrode foil</td><td>~5-9</td><td>~8</td></tr><tr><td>Aluminium electrode foil</td><td>~5-7</td><td>~5</td></tr><tr><td>Separator</td><td>-</td><td>~4</td></tr><tr><td>Others</td><td>Balance</td><td>Balance</td></tr></tbody></table>

<footnote n="44">⁴⁴ http://ec.europa.eu/environment/waste/batteries/pdf/Guidelines%20on%20RE.pdf</footnote>

<footnote n="45">⁴⁵ Rapport Annuel du Registre SYDEREP pour la filière piles et accumulateurs (Données 2017)</footnote>

<footnote n="46">⁴⁶ https://accurec.de/wp-content/uploads/2018/04/Li-ion-RE_2018.pdf</footnote>

<footnote n="47">⁴⁷ « Development of a recycling process for Li-ion batteries » (T. Georgi-Maschler, B. Friedrich, R. Weyhe, H. Heegn, M. Rutz) Février 2012</footnote>
Notons aussi que dans le cadre des travaux en cours concernant la révision de la directive européenne, les modalités de gestion des batteries industrielles pourraient être renforcées afin de garantir une gestion et une traçabilité plus efficace, dans un contexte de croissance importante des volumes et face à un enjeu important lié à la récupération de métaux considérés comme stratégiques.

Enfin, l'évolution de la réglementation européenne en matière de recyclage des batteries de VEH ne peut pas ignorer la directive VHU 200/53/EC (véhicules hors d'usage). La prise en compte éventuelle des taux de recyclage de la batterie d'un VEH (qui représente environ 1/4 du poids du véhicule) peut fortement impacter le taux de recyclage global du véhicule.

## Etats-Unis

Au niveau fédéral, il n'existe pas de réglementation spécifique sur les batteries en fin de vie. Les déchets solides et dangereux sont encadrés par le Resource Conservation and Recovery Act (RCRA). Ce document qualifie les déchets dangereux soit par leur désignation, soit par leurs caractéristiques présentant un caractère de dangerosité qui est déterminé par analyse. Quatre critères de dangerosité sont examinés : le caractère inflammable, corrosif, réactif ou toxique (potentiel de lixiviation).

En dehors des batteries au plomb, seules les batteries au Ni-Cd en fin de vie sont spécifiquement définies comme des déchets dangereux.

Il existe quelques systèmes de collecte organisés sur une base **volontaire** (Exemple Call2Recycle<fnref n="48" />) généralement financés par les fabricants de batteries ou de téléphones mobiles mais ils ne prennent en charge que les batteries portables (avec une forte proportion de LCO dont le recyclage est rentable).

En 2017, seuls 3 états (New York, Californie, Minnesota) interdisent l'enfouissement des batteries au Lithium. Mais leurs réglementations ne prévoient aucune sanction.

L'état de New York a mis en place en 2010 une réglementation spécifique de type REP (Responsabilité Elargie du Producteur) sur les batteries rechargeables (NYS Rechargeable Battery Recycling Act) avec obligation pour les fabricants de financer la collecte et le traitement des batteries en fin de vie.

On estime qu'à peine 5% des batteries Li-ion sont recyclées aux Etats-Unis.

## Canada

La réglementation sur les déchets est mise en œuvre au niveau des provinces. 4 d'entre elles (sur 10) ont mis en place une réglementation pour les batteries en fin de vie sur un modèle de Responsabilité Elargie du Producteur (Québec, Manitoba, Ontario, Colombie Britannique) inspiré de la réglementation européenne et ne concerne que les batteries de moins de 5 Kg.

Elle fixe également des objectifs en matière de taux de collecte et de taux de valorisation, variables en fonction des provinces et évolutif (Pour le Québec, 50 % de taux de collecte – et 45 % de taux de valorisation en 2019 qui doit évoluer de 5 % par an jusqu'à un maximum de 65 %).

<footnote n="48">⁴⁸ L'organisation Call2Recycle, à but non lucratif fondée par les metteurs sur le marché en 1994 et qui opère aux Etats Unis et au Canada a collecté 59 000 tonnes de batteries depuis sa création.</footnote>
Chine

En Chine la gestion des déchets dangereux est encadrée par le Catalogue National des Déchets Dangereux. Les batteries en fin de vie dépassant un certain seuil en nickel, mercure, (plomb), entrent dans ce catalogue et doivent être traitées de manière spécifique. Dès 2003, à travers le « Policy on Pollution Prevention Techniques from Waste Batteries », la réglementation chinoise impose au fabricant un marquage spécifique ainsi que la mise en place d'un système de reprise des batteries en fin de vie, sans en préciser les étapes suivantes.

En 2015, une nouvelle réglementation concernant les batteries lithium-ion industrielles encourage les fabricants de VEH à développer leurs propres infrastructures de recyclage.

Au début de l'année 2018, les autorités chinoises ont fait part à nouveau de leur volonté de mettre en
place un plan d'envergure afin d'assurer la gestion des batteries de VEH en fin de vie avec une mise
en application d'un certain nombre d'obligations à partir d'Aout 2018.

Ce plan prévoit que la responsabilité des batteries en fin de vie incombe aux fabricants de véhicules électriques qui doivent mettre en place des systèmes de collecte adaptés et provisionner les couts de collecte et de recyclage associés. Il est également prévu de mettre en œuvre un système de traçabilité des batteries (au travers d'un code individuel), de leur production jusqu'à leur fin de vie.

Afin de faciliter le recyclage (y compris la seconde vie), les fabricants chinois de batteries devront adopter des modèles standardisés, faciles à démonter, et communiquer des informations sur les modalités de démontage, de stockage des batteries mais aussi sur les interfaces des systèmes de contrôle et leurs protocoles de communication (Battery Management Systems). En revanche aucun objectif n'est mentionné à ce stade ni sur le taux de collecte, ni sur les rendements de recyclage.

Concrètement, le ministère de l'industrie et des télécommunications Chinois a sélectionné en juillet 2018, 17 grandes métropoles et régions pour mettre en place des programmes pilotes associant constructeurs automobiles, fabricants de batteries et acteurs du recyclage qui doivent unir leurs efforts pour mettre en œuvre une solution globale de recyclage des batteries avec l'appui des autorités locales.

Les principaux fabricants de téléphone mobiles (China mobile, Nokia, Motorola) et de VEH (BYD, Lichen, ...etc) ont déployé des points de collecte sur le territoire chinois. 2 entreprises majeures exploitent des infrastructures de recyclage de batteries : GEM (5 sites) et BRUNP. Lichen et BYD ont établi des partenariats avec BRUNP pour faire le lien entre les volumes collectés et leur recyclage.

L'entreprise China Tower (qui gère l'infrastructure de transport d'électricité), associée aux projets pilotes, a signé un partenariat avec 16 des principales entreprises de fabrication de VEH et de batteries afin de développer des solutions pour la seconde vie. China Tower a un potentiel d'utilisation de 54 GWh de stockage stationnaire, soit près de 2 Millions de batteries de VEH usagées. Aujourd'hui 98 % de son parc est formé de batteries au plomb mais China Tower prévoit d'utiliser de plus en plus de batteries Li-ion en seconde vie, du fait de leur durée de vie plus importante, une meilleure densité d'énergie et un prix actuellement équivalent (environ 100 USD/ KWh)<fnref n="49" />

D'autres sociétés sont mentionnées<fnref n="50" /> pour la prise en charge de batteries Li-ion en fin de vie, telles que Bangpu Ni/Co High Tech Co qui produit des précurseurs pour cathodes NMC en intégrant en partie des batteries Li-ion et Ni-MH en fin de vie dans son procédé, ou Umicore (installation basée à Jiangmen) qui produit des matières premières pour la fabrication de cathodes de batteries Ni-MH (10000 T) et Li-ion (5000 T) et semble également intégrer des déchets de batteries en fin de vie dans son process de production.

<footnote n="49">⁴⁹ Analyse par IDTechEx – consulting / Juillet 2018</footnote>

<footnote n="50">⁵⁰ Zeng, X., Li, J., Liu, L., 2015. Solving spent lithium-ion battery problems in China : opportunities and challenges. Renew. Sustain. Energy Rev. 52, 1759–1767.</footnote>
## Japon :

Au Japon, la gestion des batteries rechargeables en fin de vie est régie dans le cadre de la « Loi pour la promotion de l'utilisation efficace des ressources » de 2000.

Le système est basé sur le principe de la Responsabilité Elargie du Producteur. Il est piloté par le JBRC (Japanese Battery Recycling center), équivalent d'un éco-organisme, créé en 2004 et constitué par les fabricants de batteries et d'équipements utilisant des batteries. Cet organisme a mis en place 8000 points de collecte. La réglementation ne fixe pas d'objectif en matière de taux de collecte mais fixe des objectifs concernant les taux de recyclage (Ni-Cd 60% // Ni-MH 50 % et Li-ion 30 %). Ce taux de recyclage se calcule en comparant la totalité du tonnage entrant avec le tonnage sortant de matière première secondaire, la valorisation énergétique n'entre pas dans le calcul.

Si on fait le parallèle avec la réglementation européenne, ce système ne concerne à ce jour que les batteries rechargeables « portables »<fnref n="51" />. Les batteries issues de véhicules électriques ne sont pas soumises à la réglementation et la gestion de leur fin de vie est laissée à l'initiative des acteurs du marché.

## Australie

A ce jour, il n'y a pas de réglementation spécifique en Australie concernant le recyclage des batteries même si des systèmes de collecte existent sur une base volontaire (notamment pour les batteries Ni-Cd).

Les différentes juridictions ont des réglementations qui obligent à porter une attention générale à la protection des sols et des nappes phréatiques. Mais la gestion des batteries en fin de vie n'est pas définie de manière spécifique.

Certaines batteries entrent dans le champ du règlement sur le stockage et la manutention des matières corrosives et des matières dangereuses.

En dehors des batteries au plomb et au Ni-Cd l'essentiel des batteries (portables notamment) terminent aujourd'hui en enfouissement.

En 2016, sur les 3 300 tonnes de batteries Li-ion en fin de vie, seulement 2% ont été collectées et expédiées à l'étranger pour recyclage<fnref n="52" /> car l'infrastructure de recyclage des batteries Li-ion était inexistante localement. L'entreprise Envirostream Australia a ouvert en Avril 2018 Le premier site de recyclage pour batteries Li-ion au Nord de Melbourne.

A noter que l'Australie est un des principaux pays producteurs de Lithium, sous forme d'hydroxyde, utilisé dans la fabrication de batteries neuves.

## Amérique Latine

Les réglementations sur les déchets se mettent en œuvre également en Amérique latine. Les batteries y sont classées comme déchets dangereux.

On estime qu'en 2022, près de 80 % des pays du continent Sud-Américain auront mis en place une réglementation concernant la gestion des batteries en fin de vie sur la base d'une responsabilité élargie du producteur<fnref n="53" />, et qui devrait couvrir au moins 60 % du territoire de chaque pays d'ici 2025.

<footnote n="51">⁵¹ La réglementation japonaise parle de « compact rechargeable batteries ».</footnote>

<footnote n="52">⁵² Lithium Battery Recycling in Australia – CSIRO Report - Sarah King, Naomi J. Boxall, Anand I. Bhatt (April 2018)</footnote>

<footnote n="53">⁵³ https://incompliancemag.com/article/latin-america-regulators-embracing-e-waste-and-battery-collection-laws/</footnote>
Cependant, avec un taux de collecte estimé actuellement à 3%, les volumes sont trop faibles pour permettre le développement d'une industrie locale du recyclage. La plupart des pays ont des réglementations qui interdisent l'importation de déchets dangereux ne permettant pas non plus de consolider des volumes à l'échelle du continent. Actuellement, les batteries rechargeables collectées et ayant une valeur sont triées et exportées pour traitement en Europe ou aux Etats Unis.

## Bilan des réglementations concernant la gestion des batteries en fin de vie

<table><caption>Tab 7 : Périmètre des réglementations relatives à la gestion des batteries en fin de vie</caption><thead><tr><th></th><th>Réglementation spécifique sur les batteries en fin de vie</th><th>Filière REP</th><th>Objectif de collecte</th><th>Rendement de recyclage / valorisation</th></tr></thead><tbody><tr><td>Europe</td><td>Oui</td><td>Oui pour toutes les batteries</td><td>Oui (45 % sur les batteries portables à partir de 2016)</td><td>Oui (de 50 à 75% de rendement de recyclage selon les couples chimiques)</td></tr><tr><td>Etats-Unis</td><td>Partielle (en fonction des états)</td><td>Non</td><td>Non</td><td>Non</td></tr><tr><td>Canada</td><td>Partielle (en fonction des Provinces)</td><td>Oui (3 états sur 10 et uniquement sur les batteries &lt; 5 kg)</td><td>Oui (variable en fonction des provinces)</td><td>Oui (variable en fonction des provinces)</td></tr><tr><td>Chine</td><td>Partielle (En cours d'évolution)</td><td>Non</td><td>Non</td><td>Non</td></tr><tr><td>Australie</td><td>Non</td><td>Non</td><td>Non</td><td>Non</td></tr><tr><td>Japon</td><td>Oui</td><td>Oui uniquement sur les batteries "compactes" (équivalent des "portables")</td><td>Non</td><td>Oui (de 30 à 60 % de rendement de recyclage selon les couples chimiques)</td></tr><tr><td>Amérique du Sud</td><td>Non</td><td>Non</td><td>Non</td><td>Non</td></tr></tbody></table>

La mise en place d'une réglementation contraignante est le principal levier de développement d'une filière de recyclage.

## 2.2 Etat des lieux sur l'Ecoconception

### 2.2.1 Définition

« L'écoconception consiste à intégrer l'environnement dès la conception d'un produit ou service, et lors de toutes les étapes de son cycle de vie » (AFNOR, 2004).

L'écoconception à pour volonté de concevoir des produits respectant les principes du développement durable et de l'environnement, recourant « aussi peu que possible aux ressources non renouvelables en leur préférant l'utilisation de ressources renouvelables, exploitées en respectant leur taux de renouvellement et associées à une valorisation des déchets qui favorise le réemploi, la réparation et le recyclage » (ADEME).
Historiquement, les pratiques d'écoconception se sont surtout intéressées aux processus de production et à la phase d'utilisation des produits en optimisant en premier lieu les consommations de matière et d'énergie, les intérêts économiques rejoignant dans cette approche, l'intérêt environnemental (dans le domaine des batteries, on peut aussi mentionner l'amélioration de la durée de vie en cyclage qui réduit généralement l'impact environnemental). De manière générale, l'écoconception permettant de favoriser le recyclage des produits est un domaine qui reste peu exploré. En effet, cette approche de l'écoconception ne présentant pas d'intérêt économique à court terme, en l'absence de contrainte réglementaire elle reste souvent ignorée. En rendant les fabricants (et metteurs sur le marché) responsables de la gestion de fin de vie de leurs produits, la responsabilité élargie du producteur a pour ambition, entres autres, de répondre à cette lacune. De fait, l'écoconception en vue d'améliorer la « recyclabilité » est un axe de réflexion peu abordé hors du continent européen.

### 2.2.2 Ecoconception, recyclabilité et réglementation européenne

Concernant le domaine particulier des batteries, il faut rappeler que ce sont des produits destinés à être intégrés dans un équipement et doivent donc d'abord répondre au cahier des charges des OEM (Original Equipment Manufacturer). Or, leurs exigences concernent en premier lieu la performance (densité d'énergie, cyclage, efficacité de charge/décharge) ainsi que la forme et le prix.

Si en Europe, les OEM n'ignorent pas l'impact environnemental des batteries qu'ils utilisent, cet aspect reste encore secondaire. Ils s'assurent à minima que leurs batteries pourront être recyclées et respecter les critères de la réglementation.

Soulignons enfin que la notion de recyclabilité n'a pas de définition réglementaire ou normative. Lorsqu'on parle d'amélioration de la recyclabilité d'une batterie, s'agit-il d'optimiser effectivement le tonnage total recyclé par rapport à la quantité de batteries en fin de vie disponibles ? Du **potentiel** de recyclage d'une batterie dans le cadre de procédés **restant à développer** (et qu'il faut encourager) ? Ou simplement d'améliorer le rendement de recyclage des procédés **existants** comme l'aborde la directive européenne ?

Selon la manière dont cette notion de recyclabilité est abordée, elle peut favoriser l'une ou l'autre des technologies de batteries. Ainsi, les batteries au plomb sont aujourd'hui les mieux recyclées (près de 95 % des batteries au plomb en fin de vie sont recyclées à l'échelle mondiale), les rendements de recyclage les plus élevés concernent les batteries au plomb et les batteries Ni-Cd. Doit-on pour autant privilégier ces technologies ?

De manière générale, les systèmes chimiques basés sur des métaux à valeur (le plomb, le Nickel, le Cobalt) sont fortement recyclés car ils présentent un intérêt économique. Doit-on favoriser ces systèmes chimiques, avec le risque d'un transfert de pollution vers une autre étape du cycle de vie ?

Des analyses de cycle de vie et des mesures d'empreinte environnementale sont donc nécessaires afin de comparer l'impact global des différentes technologies (dans un périmètre d'interchangeabilité). Ceci concerne les batteries portables et industrielles, dont les différentes technologies Li-ion qui dominent le marché des VEH (NMC, NCA, LFP...).

Des travaux sont actuellement en cours à l'échelle européenne parallèlement à la révision de la directive 2006/66/CE sur les batteries, afin de déterminer des critères objectifs et vérifiables pour mener ces études<fnref n="54" />. Le but final étant de définir des mesures concrètes pouvant être mises en œuvre pour favoriser une approche d'écoconception dans la perspective d'une meilleure recyclabilité. Au-

<footnote n="54">⁵⁴ PEFCR - Product Environmental Footprint Category Rules for High Specific Energy Rechargeable Batteries for Mobile Applications – RECHARGE - Février 2018.
http://ec.europa.eu/environment/eussd/smgp/pdf/PEFCR_Batteries.pdf</footnote>
delà des objectifs de protection de l'environnement, ces travaux s'insèrent dans la stratégie mise en œuvre pour sécuriser les approvisionnements en matières premières<fnref n="55" />, et plus particulièrement pour les métaux dits « stratégiques »<fnref n="56" />.

### 2.2.3 Etat des lieux et perspectives

Aujourd'hui, dans le cas où les procédés de recyclage ne seraient pas encore au point pour de nouvelles technologies apportant un gain en performance, les OEM considèrent presque toujours que les recycleurs devront et sauront s'adapter. Au pire sans consultation (c'est souvent le cas dans le domaine des batteries portables pour lesquelles il y a peu de coordination entre recycleurs d'un côté et fabricants & OEM de l'autre), au mieux avec échange d'information entre acteurs comme c'est le cas par exemple entre l'industrie automobile (fabricants de VEH) et recycleurs européens régulièrement engagés dans des contrats de partenariat à long terme. Quoique ces partenariats présentent également des limites puisque les constructeurs européens de VEH ne sont pas les fabricants de batteries et ne maitrisent pas entièrement leur composition. Celles-ci étant fabriquées en Chine pour une grande partie, sans contrainte spécifiques liées à la recyclabilité et sans une totale transparence sur leur composition exacte.

De leur côté, les recycleurs confirment qu'ils sauront toujours adapter leurs procédés aux différentes batteries en fin de vie qui arrivent dans leurs installations... puisqu'in fine, ce n'est généralement qu'une affaire de coûts.

En observant la filière européenne de recyclage des piles et accumulateurs, on peut donc constater que le principe de responsabilité élargie du producteur n'est pas suffisant à lui seul pour inciter les fabricants à prendre réellement en compte les problématiques de recyclage au moment de la fabrication. D'ailleurs, les réflexions en cours dans le cadre de la révision de la directive européenne pour la mise en place d'une éco-modulation sur la filière portable (principe consistant, au travers de bonus/malus impactant le prix de vente, à inciter financièrement les fabricants à prendre en compte l'ensemble du cycle de vie et favoriser la recyclabilité des batteries mises sur le marché) prennent acte de cette situation.

Concernant les batteries industrielles et en particulier les batteries de VEH, c'est la taille des enjeux qui a permis d'ouvrir le dialogue sur l'écoconception entre industriels de l'automobile (qui assemblent eux-mêmes leurs batteries, ou déterminent à minima le cahier des charges) et recycleurs. Les premiers, soumis à la REP, conscients que les capacités de recyclage sont insuffisantes et voulant s'assurer qu'il existera une solution de recyclage pour les tonnages importants de batteries arrivant en fin de vie au cours des prochaines années, et les second réclamant des garanties de tonnages avant d'investir dans des nouveaux procédés de recyclage couteux. La nécessité de sécuriser les volumes, les prix, mais aussi l'opportunité d'améliorer la rentabilité des batteries en les valorisant en seconde vie et l'opportunité de sécuriser l'approvisionnement en matières premières (dans le cas où un recyclage en boucle fermée serait possible) sont autant de raisons justifiant une contractualisation de long terme entre les acteurs et un dialogue qui ne peut être que bénéfique.

Ainsi, l'existence d'une REP même si elle n'est pas suffisante apparait cependant comme un élément nécessaire dans la prise en compte des enjeux du recyclage par les fabricants de batteries. On constate, qu'en dehors de l'Europe et en l'absence de filière REP, les volumes de batteries collectées/recyclées restent faibles et limitées aux technologies à forte valeur intrinsèque (batteries au plomb en premier lieu et technologies à forte concentration en Cobalt et/ou en Nickel).

<footnote n="55">⁵⁵ https://ec.europa.eu/growth/sectors/raw-materials/policy-strategy_fr</footnote>

<footnote n="56">⁵⁶ https://eur-lex.europa.eu/legal-content/FR/TXT/PDF/?uri=CELEX:52014DC0297&from=EN</footnote>
Concernant les leviers disponibles en matière d'éco-conception, nous avons vus que les « lois » de l'électrochimie limitent les marges de manœuvre concernant le choix des matières actives et donc la composition interne des batteries (électrodes, séparateurs, électrolytes). Dans ce domaine, l'argument de la recyclabilité sera généralement négligeable au regard des exigences de performance et de coûts de fabrication. Les choix des matières actives ne sont pas dictés par les problématiques de recyclage même si ces choix peuvent avoir un impact significatif.

Sur les technologies matures telles que Ni-MH et Ni-Cd, les évolutions possibles restent très marginales (le choix des matières actives est optimisé, seules des innovations marginales concernant principalement les électrolytes peuvent encore apparaître) et sans grande incidence sur des procédés de recyclage, eux aussi matures, mis en œuvre à une échelle industrielle et ayant démontré leur efficacité dans le cadre des obligations actuelles.

En revanche, dans le domaine des technologies Li-ion, nous assistons à des évolutions significatives concernant les matières actives utilisées. Elles évoluent vers une diminution de la quantité de cobalt pour des raisons liées, au départ, à une anticipation de fortes contraintes d'approvisionnement (disponibilité et coût du cobalt) ... à l'arrivée, les technologies de remplacement (NMC, NCA) s'avèrent également plus performantes (meilleure densité d'énergie notamment) et les technologies à forte concentration de cobalt sont aujourd'hui en baisse régulière.

Ceci impacte directement la rentabilité des procédés de recyclage (la valorisation du cobalt étant source de revenu) et augmente donc le coût global qui, dans le cas d'une REP, est finalement répercuté au fabricant. Cet accroissement de la diversité des technologies li-ion peut en outre réduire le rendement de certains procédés de recyclage et renchérir des coûts annexes (au niveau du tri par exemple).

Sur les technologies Li-ion encore, des produits ignifugeants, retardateurs de flamme peuvent être intégrés par certains fabricants sans information spécifique (pour des questions de confidentialité), surtout si cette amélioration de la sécurité des batteries peut dégager un avantage concurrentiel.

Au bilan, en matière d'écoconception dans l'objectif d'améliorer la recyclabilité, les marges de manœuvre liées à la partie active de la batterie restent donc limitées, les enjeux liés à la performance et au coût de fabrication dépassant largement ceux liés au recyclage.

En revanche, il y a plus de latitudes lorsqu'on aborde une batterie dans son ensemble. En particulier lorsqu'on s'intéresse aux problématiques de désassemblage et de démontabilité.

Il s'agit d'une part de pouvoir séparer facilement une batterie de son équipement (désassemblage) et d'autre part de pouvoir démonter facilement la batterie elle-même (démontabilité) afin d'en extraire les cellules. Dans la plupart des cas, le premier point n'est pas du ressort des fabricants de batteries (le choix de sceller les batteries comme c'est le cas par exemple pour certaines marques de téléphone portable appartient au fabricant d'équipement). Si on souhaite une amélioration sur ce point c'est donc par des incitations réglementaires ou économiques en direction des OEM et non des fabricants de batteries (dans le cas des batteries de VEH il peut s'agir par exemple de prévoir des dispositifs qui facilitent le levage et la manutention).

Pour les batteries portables, compactes et qui subissent en matière de recyclage, un premier traitement par broyage et/ou pyrolyse (sans phase de démontage préalable), la démontabilité ne présente pas d'intérêt. En revanche, il existe un champ d'investigation intéressant pour les batteries industrielles et notamment pour les batteries Li-ion pour VEH / EnR qui seront les principaux tonnages à recycler dans les années à venir. Les fabricants (et/ou les assembleurs) pourraient dès la conception de leurs batteries, prendre en compte les contraintes des opérateurs de recyclage afin de faciliter le démontage des batteries en elle-même.
Les opérations de démontage concernent les éléments extérieurs de la batterie (Battery Management System principalement) ainsi que la séparation des packs par rapport à l'enveloppe (casing) et enfin, la séparation des modules entre eux.

En matière de recyclage, la partie extérieure des batteries Li-ion (BMS et Casing) est un enjeu important puisqu'elle peut représenter jusqu'à 50 % du poids total de la batterie.

Même si certaines exigences mécaniques limitent les choix (les batteries doivent répondre à un certain nombre de critères concernant la résistance aux vibrations ou la résistance aux chocs), les marges de manœuvre des concepteurs restent beaucoup plus importantes que dans le domaine de l'électrochimie.

On peut également inclure dans cette approche d'écoconception, tout ce qui permettra de faciliter les tests en vue d'une réutilisation. Cela implique un transfert d'information des fabricants vers les recycleurs concernant les interfaces des systèmes de contrôle (BMS) et leurs protocoles de communication.

Pour conclure, au regard des volumes de batteries de VEH attendus dans les années à venir, il est souhaitable de pouvoir automatiser les procédés de recyclage. Pour cela, il est impératif que l'avis des recycleurs puisse être pris en compte dans les choix de conception des batteries. En particulier, il est souhaitable de prévoir des dispositifs facilitant les opérations de levage et manutention des batteries, de standardiser autant que possible les dispositifs de fixation des batteries et les méthodes d'assemblage des packs/cellulles afin de pouvoir automatiser les procédés de démantèlement, principal levier d'optimisation des process.

Il n'est pas sûr que les logiques de marché soient suffisantes pour cela, et la main du législateur pourrait être nécessaire.

A ce stade, seule la Chine dans le cadre des réglementations annoncées par le ministère de l'Industrie et des télécommunications semble prendre en compte la mesure de ces enjeux. En prévoyant d'imposer un marquage pour identifier les technologies de batteries, une standardisation des modèles, une facilité de démontage et un échange d'informations entre fabricants et recycleurs, les autorités chinoises introduisent de fait la notion d'écoconception et obligent les acteurs à se coordonner pour la mise en place d'une filière de recyclage efficace.

Cette approche « avant-gardiste » est bien entendu en lien direct avec la politique volontariste de la Chine sur le développement des VEH qui place le pays très en avance sur ce marché (en nombre de VEH et donc en volume de batteries à recycler dans les années à venir).

## 2.3 Etat des lieux sur la sécurité des batteries Lithium

Les technologies de batteries utilisées actuellement sur le marché ne présentent pas de problèmes de sécurité spécifique en dehors des technologies au lithium. Il faut cependant rappeler que les risques liés à ce type de batterie sont pris en compte par les fabricants et que les batteries mises sur le marché restent sûres et non dangereuses pour le consommateur dans un cadre d'utilisation normal.

Les batteries Lithium présentent des risques spécifiques qui diffèrent selon que les batteries utilisent une technologie lithium sous forme métallique (type LMP) ou Lithium ionique (Li-ion, Li-Po).

### 2.3.1 Batteries Lithium-Métal Polymère

Les premières batteries au Lithium utilisaient ce métal sous forme solide. Cette technologie a été ensuite abandonnée au profit du Lithium-ion qui permettait de résoudre la formation de dendrites (à la surface de l'électrode en Lithium) entrainant des courts-circuits. L'entreprise Blue Solutions (groupe
Bolloré), seul acteur à produire aujourd'hui ce type de batterie au travers de deux usines dans le monde (une en France et une au Canada) a résolu ce problème notamment par l'utilisation d'un électrolyte polymère (solide) qui empêche la progression de dendrites. C'est d'autre part sa maitrise de la fabrication de films ultraminces qui a permis la mise au point de ce type de batteries.

Dans la phase de vie de la batterie, l'électrolyte polymère utilisé apporte un réel avantage en termes de sécurité (par rapport au Li-ion) puisqu'il évite l'utilisation de solvants potentiellement dangereux en cas de surchauffe. De telles batteries peuvent être soumises à de hautes températures sans risques d'emballement thermique ou d'explosion.

Il faut toutefois mentionner que cet avantage de sécurité reste valable sous réserve que l'intégrité de l'enveloppe soit préservée en toutes circonstances et notamment en cas de choc. En effet, le Lithium métallique présente une très forte réactivité à l'air et à l'eau (pour produire de l'hydrogène et de l'hydroxyde de lithium, un puissant agent caustique)

De ce fait, ce type de batterie présente de fortes contraintes à la fabrication mais aussi potentiellement en phase de recyclage. A ce jour Il n'existe pas de procédé connu pour le recyclage de ces batteries<sup>57</sup>, même si Blue solutions affirme travailler sur ce sujet et ne pas être inquiet ni sur la faisabilité technique, ni sur le respect des exigences réglementaires concernant les rendements de recyclage.

Suite à la fin du contrat « Autolib » avec la ville de Paris, le groupe Bolloré a retiré près de 4000 bluecar.<sup>58</sup> Les informations disponibles dans la presse indiquent que ces véhicules ont été acheminés à Romorantin sur un site de l'INDRA (acteur spécialisé dans le recyclage des véhicules hors d'usage). Quelques centaines auraient été revendues à des particuliers sans qu'il soit fait mention d'un éventuel diagnostic préalable sur la batterie. Sollicités sur les modalités de gestion des batteries de ces véhicules, ni l'INDRA ni la société Blue Solutions n'ont souhaité répondre à nos questions.

### 2.3.2 Batteries au Lithium ionique

Dans les batteries lithium ionique, on peut retrouver des risques similaires aux LMP. En particulier, lorsque les batteries ne sont pas totalement déchargées, des ions Li restent intercalés dans l'anode en graphite et peuvent réagir à l'eau pour former de l'hydroxyde de Lithium et de l'hydrogène. Il peut aussi y avoir du lithium métal déposé à la surface de l'anode provenant de surcharges répétées (liées à des charges rapides). Les risques liés au lithium-métal ne peuvent donc pas être totalement écartés dans le cas de batteries au lithium ionique.

Mais en matière de sécurité, le principal risque des batteries li-ion provient de la composition de l'électrolyte qui est un solvant organique contenant des sels de lithium au fluor ou au chlore.

Cet électrolyte est instable, inflammable et il réagit facilement avec l'eau pour produire des gaz toxiques. En cas d'échauffement, il peut subir un emballement thermique provoquant un incendie violent (voire une explosion) accompagné d'émission gaz fluorés ou chlorés selon la nature de l'électrolyte. Cet échauffement peut être provoqué par une température extérieure excessive mais aussi par un accroissement interne de la température lié à une surintensité. En règle générale, les batteries au lithium ionique présentent un certain nombre de risques de dégradation accélérée ou d'emballement thermique dès lors qu'elles sortent de leur plage de fonctionnement typique (température, niveau de charge, tensions mini et maxi...etc) C'est pourquoi toutes les batteries Li-ion sont équipées d'un système électronique de pilotage (Battery Management System) qui permet de

<footnote n="57">57 Les brevets déposés (par exemple WO2002023651) sur le sujet concerne des batteries LMP constituées d'une cathode en oxyde de vanadium lithié, or les batteries « blue solutions » sont en oxyde de fer lithié.</footnote>

<footnote n="58">58 https://www.20minutes.fr/rennes/2451595-20190215-bretagne-autolib-retrouvent-seconde-vie</footnote>
contrôler en permanence (notamment en phase d'utilisation et en phase de recharge) les différents paramètres tels que la tension, l'intensité ou la température de chaque cellule.

Le BMS déconnecte chaque cellule individuellement dès lors que les seuils de sécurité sont dépassés.

Au sein de la famille des batteries Li-ion, la technologie LFP est réputée plus sure du fait d'une meilleure stabilité thermique des cellules. Les batteries Li-Po ne sont pas intrinsèquement plus instables mais le fait qu'elles soient contenues dans une enveloppe souple les rend plus vulnérables aux chocs et à un écoulement de l'électrolyte qui pourra alors s'enflammer.

Même si plusieurs incidents (départs d'incendie, rappels de produits...etc) ont été largement médiatisés au niveau de l'utilisation, ils restent rares et le plus souvent associés à une mauvaise utilisation (rarement un défaut de conception comme dans le cas des tablettes SAMSUNG). En revanche les batteries Li-ion posent un réel problème de sécurité au niveau des installations de recyclage en étant régulièrement à l'origine de départs d'incendies.

Pour une batterie Li-ion, une mauvaise manutention, un perçage ou encore le broyage peut être à l'origine d'incendie ou d'explosion en raison d'un court-circuit (lorsque la batterie n'est pas complètement déchargée) et/ou de l'écoulement de l'électrolyte.

Aux Etats-Unis, des départs de feux ont pu être constatés dans les bennes compactrices de collecte des ordures ménagères, ainsi que dans des centres d'enfouissement (Randell Environmental Consulting, 2016 - Waste Lithium-ion Battery Projections). Plusieurs incendies sont rapportés dans des installations de traitement dont celui du 7/11/2009 sur l'installation Retriev Technologies (ex Toxco) à Trail au Canada qui a fait l'objet d'une vidéo spectaculaire. Les causes précises de l'incendie ne sont pas connues comme le rapporte l'INERIS dans un document non public commandé par les éco-organismes de la filière portable en France et qui analyse 26 accidents sur une période allant de 1999 à 2017⁵⁹.

L'analyse d'accidentologie (Pour la France car nous avons accès à des données exhaustives<fnref n="60" />) démontre cependant que les lieux de stockages spécifiques de batteries ne sont pas les plus sujets aux accidents<fnref n="61" />. Ceux-ci sont rares dans les installations de recyclage de batteries ou dans les déchetteries qui stockent des piles et batteries pour le compte des éco-organismes de la filière portable (Screlec et Corepile). En effet, pour ces acteurs spécialisés et formés à la gestion du risque incendie, les conditions de stockage (fûts métalliques, saches plastiques, utilisation de vermiculite pour isolation), de transport (ADR) et manutention, les procédés de prise en charge dans les centres de recyclage (décharge des batteries, prise en charge des batteries endommagées) ainsi que les procédés de traitement (broyage en atmosphère inerte), font l'objet de procédures spécifiques et adaptées.

En France, on constate que les principaux départs de feux liés à des batteries Li-ion sont recensés dans les installations de traitement et/ou de regroupement de Déchets d'Equipements Electriques et Electroniques (DEEE). Ces incidents sont récurrents et interviennent dans la plupart des cas sur des zones d'entreposage en vrac de DEEE (20 accidents en 2018 sur centres de regroupement, centres de traitement et transport de DEEE – dont au moins 5 départs de feu dus avec certitude à des batteries li-ion). La DGPR (Direction Générale de la Prévention des Risques) constate que le nombre d'accidents a ainsi été multiplié par trois par rapport à la moyenne des dix années précédentes.

<footnote n="59">⁵⁹ Etat de l'art des incidents et accidents survenus dans la filière de recyclage de batteries usagées (INERIS le 26/07/2018 – pour SCRELEC et COREPILE)</footnote>

<footnote n="60">⁶⁰ Le Bureau d'Analyse des Risques et Pollutions Industriels (BARPI) met à disposition la base de données ARIA (https://www.aria.developpement-durable.gouv.fr) qui recense l'ensemble des accidents technologiques sur le territoire Français.</footnote>

<footnote n="61">⁶¹ Panorama de l'accidentologie des installations de gestion des déchets (Ministère de l'environnement – Octobre 2016) //</footnote>
Il ressort que le mode de gestion des DEEE en vrac (stockage en alvéole, manutention au chargeur, transport en bennes ou camions à fonds-mouvants... etc) est un facteur de risque important. En effet il est de nature à endommager les batteries Li-ion encore présentes dans les équipements. Dans ce cas, l'électrolyte peut s'écouler et provoquer un départ de feu qui pourra facilement se propager au sein d'un amas de DEEE qui offre à la fois un combustible (forte proportion de plastique) et un comburant du fait de sa structure aérée. La chaleur extérieure est un facteur de risque aggravant et les incidents sont significativement plus nombreux au cours de la période estivale (14 sur les 20 recensés en 2018).

Les éco-organismes des filières DEEE et piles et batteries portables travaillent conjointement sur ce sujet afin d'améliorer la sécurité aussi bien par des actions en amont (inciter les détenteurs à retirer les batteries avant de se débarrasser de leurs équipements) que par des actions en aval (sécuriser les processus de prise en charge par les acteurs de la filière DEEE).

A plus long terme, on peut également estimer que les fabricants apporteront des innovations permettant d'améliorer la stabilité thermique des batteries Li-ion. Ceci pourrait provenir de la mise au point des batteries à électrolyte solide qui font l'objet actuellement de nombreux travaux de recherche. Au-delà des gains de performance, ces batteries apporteraient une nette amélioration en matière de sécurité puisque contrairement aux électrolytes liquides organiques, les électrolytes solides sont moins inflammables voire pas du tout dans le cas des électrolytes inorganiques.

D'autres pistes sont ouvertes dans le domaine des retardateurs de flammes même si leur utilisation présente encore des inconvénients. En effet, ajoutés à l'électrolyte ils diminuent les performances électrochimiques de la batterie. Afin de contourner ce problème, une publication récente propose d'intégrer du triphenyl phosphate (TFP) en l'encapsulant dans des microfibres de polymère constituant le séparateur<fnref n="62" />. Ainsi le TFP ne gêne pas le bon fonctionnement de la batterie mais si un échauffement a lieu, le polymère fond (à partir de 160°C) et libère le TFP, un ignifugeant qui permet d'empêcher la propagation d'incendie.

De manière générale, les améliorations en matière de sécurité occupent deux champs de recherche : améliorer la gestion des cellules et de l'électronique (BMS) ou diminuer les risques liés aux interactions chimiques (additifs diverses, choix des matériaux...)

### 2.3.3 Gestion de la sécurité dans les installations de recyclage des batteries Li-ion

Bien que cet aspect puisse être intégré dans les procédés de recyclage, il semble plus judicieux de l'aborder ici pour la continuité de la lecture.

La prise en charge de batteries Li-ion à recycler doit donc impérativement se faire dans des conditions de manutention adéquates permettant de préserver l'intégrité des batteries. La problématique est différente selon qu'on prend en charge des batteries de types portables ou des batteries industrielles type VEH.

En effet, les batteries de VEH, d'un poids moyen de 250 kg sont manutentionnées à l'unité et passent par une phase initiale de décharge (si on envisage une seconde vie, une phase de test préalable permet de séparer les flux de batteries à recycler des flux de batteries à reconditionner). Le processus de décharge peut se faire en saumure ou au travers d'une résistance. Dans le premier cas, il est impératif de ventiler du fait d'un dégagement possible d'oxygène (en fonction de la composition de la

<footnote n="62">⁶² Materials for Li-ion battery safety (Kai Liu, Yayuan Liu, Dingchang Lin, Allen Pei and Yi Cui) - Stanford University - Science Advances - 22 Juin 2018</footnote>
cathode) susceptible de créer une explosion mais aussi des risques d'émissions de fluorure d'hydrogène (généré par le contact de l'électrolyte avec de l'eau). Dans le deuxième cas, la phase de décharge doit être contrôlée pour éviter une montée en température > 90 ° susceptible de provoquer un emballement thermique. Une fois la décharge réalisée, le démantèlement doit être effectué dans un environnement ventilé pour limiter l'exposition au gaz toxiques pouvant émaner de l'électrolyte.

Les batteries portables ne passent pas par une phase de décharge qui serait trop couteuse à mettre en œuvre. De plus, les charges résiduelles sont moins importantes que pour les batteries de VEH.

Pour les batteries portables, le risque d'emballement thermique ne pose pas de problème dans le cas d'un procédé de traitement pyro-métallurgique. En revanche, dans le cas d'un traitement strictement mécanique ou hydro-métallurgique, il sera nécessaire de réaliser la première étape de broyage en atmosphère inerte ou en milieu cryogénique.

## 2.4 Seconde vie

Lorsqu'une batterie de véhicule électrique (et hybride rechargeable) n'atteint plus que 70 à 80 % de sa capacité, elle ne permet plus d'assurer sa performance initiale (diminution de l'autonomie et de la puissance disponible).

Dans ce cas, on peut envisager une remise à niveau qui consiste à changer les cellules de la batterie n'assurant plus la demande en énergie du véhicule. Cette opération implique l'identification des cellules non performantes, leur désassemblage, et leur remplacement par des cellules nouvelles, provenant par exemple d'autres batteries usagées. Une batterie ainsi reconditionnée peut alors être utilisée à nouveau dans un VEH. Il s'agit donc d'un réemploi au sens de sa définition réglementaire.

Le MNTRC<fnref n="63" /> estime dans un rapport de 2014 que le cout d'un tel reconditionnement représenterait le quart du prix d'acquisition d'une batterie neuve. L'entreprise Renault qui travaille sur le sujet estime plutôt qu'il serait de l'ordre de 60 à 80 % du prix d'une batterie neuve.

On peut aussi envisager une réutilisation de la batterie pour une application différente, et notamment pour du stockage stationnaire. Cette opération nécessite le désassemblage de toutes les cellules de la batterie, leur test et leur réassemblage selon une configuration spécifique, et le développement d'un système de commande adéquat<fnref n="64" />.

**Remarque :**

Sollicitée sur le sujet, la DGPR considère que l'utilisation d'une batterie en stockage stationnaire ou à des fins de propulsion dans un VEH relève d'un usage identique (le stockage d'énergie). De ce fait les définitions réglementaires de réemploi et de préparation en vue de réemploi s'appliqueraient aussi dans le cas de la reconversion d'une batterie de VEH en batterie pour stockage stationnaire.

C'est-à-dire qu'une batterie issue de VEH dans le but d'être reconditionnée pour un usage en VEH ou en stockage stationnaire ne transiterait pas par le statut de déchet (ce qui permettrait de pratiquer cette activité en dehors d'une ICPE).

Par ailleurs, la DGPR précise qu'il est envisagé de prévoir dans le droit national que les opérations de préparation en vue de la réutilisation d'un objet ou composant d'un objet destiné au même usage que

<footnote n="63">⁶³ Mineta National Transit Research Consortium (2014). Remanufacturing, repurposing, and recycling of post-vehicle application lithium-ion batteries. MNTRC Report 12-20. http://transweb.sjsu.edu/mntrc/</footnote>

<footnote n="64">⁶⁴ L'entreprise Renault mentionne qu'une réutilisation en stationnaire peut être envisagée sans modification</footnote>
l'usage initial permettent une sortie du statut de déchet automatique<sup>65</sup> dès lors que l'objet ou composant d'objet est conforme aux réglementations produits applicables.

Alors que la durée de première vie d'une batterie de VEH est estimée entre 6 et 10 ans<sup>66</sup>, ces batteries pourraient potentiellement avoir une seconde vie qui pourrait durer entre 5 et 10 ans de plus.

On comprend bien entendu l'intérêt environnemental mais également économique d'un tel allongement de la durée de vie. Le prix des batteries étant encore un frein au développement des VEH, une valeur de revente pour une application en seconde vie permettrait de modifier la chaine de valeur, la valeur de revente pour une application en seconde vie participant alors à l'amortissement des couts de fabrication (de manière directe lorsque la batterie est en location par le constructeur ou de manière indirecte lorsque l'utilisateur du VEH en est propriétaire).

Dans le cas de véhicules hybrides (rechargeables et à fortiori non rechargeables), la durée de vie du véhicule étant supérieure à celle de la batterie, on peut penser que les propriétaires conserveront leur véhicule malgré une performance dégradée du moteur électrique (dans ce cas, le véhicule reste parfaitement utilisable avec son moteur thermique). De ce fait, et aussi parce qu'elles ont des capacités inférieures, le potentiel de seconde vie pour ces batteries sera certainement plus faible.

En revanche la dégradation de performance de la batterie de véhicules « tout électrique » entraine rapidement la nécessité de changer de batteries (ou de véhicule). Il existe donc un important gisement potentiel de batteries aptes à une seconde vie.

Les possibles applications stationnaires en seconde de vie concernent essentiellement :

- Le stockage résidentiel (sur installations EnR individuelles) / autoconsommation

- Le stockage et la régulation sur réseau électrique (EnR)

- La fonction secours (substitution aux groupes électrogènes) / alimentation sans coupure (hôpitaux, télécommunications, datacenter...)

- Le remplacement de batteries Plomb/acide (chariots élévateurs...)

Au regard des prévisions de croissance du marché des VEH d'une part et des EnR d'autre part, l'enjeu est important même s'il reste assez lointain pour la plupart des pays (pas de volume de batteries de VEH en fin de vie réellement importants avant 2025 – 2030) en dehors de la Chine et la Norvège (2020 – 2025). C'est pourquoi de nombreux acteurs se penchent sur le sujet.

En Chine, l'entreprise China Tower a signé un partenariat avec 16 des principales entreprises de fabrication de VEH et de batteries afin de développer des solutions pour la seconde vie avec un potentiel d'utilisation de 54 GWH soit 2 Millions de batteries de VEH.

Au Japon, Nissan a créé en 2010 une joint-venture, 4R Energy Corporation avec l'entreprise Sumitomo dans le but d'effectuer des recherches et conduire des tests sur la seconde vie des batteries qui ont précédemment été utilisées dans les modèles Nissan LEAF. Après 8 ans de recherche, 4R Energy Corporation a annoncé en Mars 2018 l'ouverture d'une usine dédiée au recyclage et la réutilisation des batteries de Nissan LEAF. Les premiers modèles ont été lancés en 2008 et le nombre de véhicules en fin de vie reste encore anecdotique.

<footnote n="65"><sup>65</sup> Cet allègement consiste à supprimer l'obligation de traitement dans une installation classée (ICPE) comme préalable à cette procédure de sortie.</footnote>

<footnote n="66"><sup>66</sup> Les premiers retours d'expérience de la part des fabricants de batteries et VEH semblent indiquer que la durée de vie des batteries aurait été jusqu'ici sous-estimée (un scénario de durée de vie plus importante est abordé dans la partie prospective de l'étude).</footnote>
En Europe, la plupart des constructeurs automobiles annoncent des projets sur ce thème. En collaboration avec Eaton, Nissan a aussi lancé le X Storage Building pour développer le stockage énergétique industriel en utilisant des batteries en seconde vie. Ils ont équipé le stade Amsterdam Arena d'un nouveau système d'électricité de secours, composé de 280 batteries de Nissan LEAF branchées sur une installation photovoltaïque et qui remplace les groupes électrogènes de secours.

Renault et PowerVault ont également signé un partenariat pour l'utilisation de batteries issues de la Fluence ZE en stockage domestique au Royaume Uni. Renault fournit également des modules issus de ces batteries pour des applications mobiles (mini bateaux de loisirs par exemple).

En France, l'entreprise SNAM, spécialiste du recyclage des batteries a également annoncé en 2018 un investissement de 25 Millions d'€ pour fabriquer des batteries « neuves » destinées à du stockage stationnaire et contenant 80 % d'éléments issus de batteries de VEH usagées. Le potentiel annoncé est de 10 à 20 MWh de batteries en 2019 et un objectif de 250 MWh/an à partir de 2023. La SNAM travaille avec plusieurs constructeurs automobiles en Europe dans le cadre de partenariats de longue durée (certains contrats sont signés pour 10 ans).

Un consortium d'entreprises européennes participent au projet ELSA (Energy local storage advanced system) qui vise à développer des solutions innovantes pour un stockage d'énergie bon marché en donnant une seconde vie aux batteries Li-ion de VEH. La particularité du projet est de vouloir développer un système qui permet d'intégrer, sans reconditionnement, tous les modèles de batteries présents dans les VEH. Ce projet regroupe 10 entreprises et universités de 5 pays européens (Coordonnées par Bouygues énergie services). Financé par le programme européen horizon 2020, il s'est terminé début 2019 avec 6 prototypes installés en Europe qui semblent démontrer le potentiel de la solution. Les démonstrateurs représentent plusieurs contextes d'application et couvrent des services divers tels que l'atténuation de la congestion du réseau, l'équilibrage local du réseau, le soutien de la tension ou la régulation.

Si l'idée d'utiliser des batteries de VEH en seconde vie pour du stockage stationnaire semble parfaite. Elle n'est pas si simple et se heurte à un certain nombre de difficultés techniques, économiques et réglementaires<sup>67</sup>. L'ensemble des initiatives mentionnées restent à un stade d'expérimentation et la seconde vie cherche encore son modèle économique.

### 2.4.1 Des difficultés techniques

* **La diversité du gisement**

L'absence de standardisation facilite l'innovation chez les fabricants de batteries, mais constitue un frein au développement de la seconde vie. En effet, la variété des technologies à la fois sur les batteries Li-ion et sur les BMS posent des problèmes de compatibilité. Pour les usages requérant plusieurs batteries, il est en effet nécessaire d'assembler des batteries ayant des caractéristiques électriques homogènes (même tension, même puissance, système de gestion compatible).

Cet aspect faisait partie des axes de recherche du programme ELSA qui affirme pouvoir « intégrer, sans reconditionnement, tous les modèles de batteries présents dans les véhicules électriques aujourd'hui ». Celles des véhicules Renault (200.000 véhicules électriques vendus en à fin 2018) mais aussi celles utilisées par les autres constructeurs automobiles. Cette flexibilité réduit considérablement les coûts, à la moitié du prix d'une batterie neuve, selon Nicolas Schottey, expert chez Renault. Ce qui permet de devenir compétitif face à d'autres technologies de stockage.

<footnote n="67"><sup>67</sup> Voir synthèse du projet Abatt-relife (ADEME – Octobre 2015)</footnote>
L'entreprise Renault confirme que les solutions élaborées dans le cadre du projet ELSA permettent
aujourd'hui de proposer à la vente des systèmes modulables par « briques » de 24 KW et 96 KW et
que les premiers contrats commerciaux ont été signés début 2019.

* **Un vieillissement non linéaire**

En ce qui concerne le comportement au vieillissement des batteries de véhicules électriques, des études<fnref n="62" /> et ⁶⁸ montrent la présence de « caractéristiques de vieillissement non linéaires » ce qui compromet une seconde vie simple à mettre en œuvre pour ces batteries. Le vieillissement est fortement influencé par l'usage et notamment le kilométrage moyen par an ainsi que les profils de charges et décharges (fréquence, niveau de décharge, puissance de recharge, ...), mais aussi par la durée de vie calendaire.

Il semble alors nécessaire de réaliser des tests au niveau de chaque cellule prise individuellement.
Dans ce cas, ces tests doivent pouvoir être mis en œuvre de manière rapide et standardisée. C'est la
raison pour laquelle l'accès aux informations du BMS (Battery Management System) est stratégique
pour les acteurs de la seconde vie des batteries de VEH

De son coté, l'entreprise Renault indique que d'après ses propres mesures sur des batteries 2ème vie,
il n'est pas constaté à ce stade d'écart de vieillissement des cellules au sein d'un même pack. Et que
les premiers résultats des mesures en cours en 2019 avec le CEA sur des packs Renault confirment
ce constat.

Quoiqu'il en soit, rapidité du diagnostic et garantie de l'efficacité de la reconfiguration sont des enjeux
clés pour la seconde vie des batteries.

## 2.4.2 Des difficultés économiques

Sur le plan économique, de nombreuses inconnues demeurent ;

- Incertitudes sur le gisement réellement disponible : quelle part des batteries restera en
utilisation dégradée dans les véhicules ? quel pourcentage de cellules seront
réutilisables ? et pour quelle application (nouvelle batterie pour VEH ou stockage
stationnaire) ?

- Incertitudes sur le développement des EnR, le cout de l'électricité et les modalités d'intégration des EnR au réseau qui influencent les besoins en stockage (les deux applications les plus prometteuses d'un point de vue technico-économique étant le stockage d'énergie en habitation et l'utilisation pour des services auxiliaires)

- Incertitudes sur l'évolution des performances et du prix des batteries neuves dans les années qui viennent : les batteries en seconde vie seront-elles compétitives face aux batteries neuves ?

La stratégie des acteurs sera également déterminante. La seconde vie nécessite de fortes
compétences (sur le diagnostic et le réassemblage) qui sont du domaine des fabricants et intégrateurs
(constructeurs automobiles). Ces acteurs semblent les mieux placés car ils maitrisent le
fonctionnement de la batterie et son vieillissement mais uniquement sur leur marque propre.

<footnote n="62">⁶² « Étude du vieillissement des batteries lithium-ion dans les applications "véhicule électrique" : Combinaison des effets de vieillissement calendaire et de cyclage. » - THÈSE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE LYON - Eduardo REDONDO-IGLESIAS (Oroctobre 2017)</footnote>
Les recycleurs ont des compétences complémentaires indispensables à la fois pour valoriser les gisements non réutilisables mais aussi pour la mise en œuvre de process industriels typiques des acteurs du recyclage : la collecte et le tri. Pour s'implanter sur cette activité, ils doivent être capables de gérer toutes les marques de batteries de VEH afin d'avoir un avantage concurrentiel sur les acteurs amonts (fabricants / intégrateurs).

Des partenariats productifs doivent se nouer entre recycleurs, constructeurs automobiles et intégrateurs, et enfin, développeurs et utilisateurs potentiels de batteries de seconde vie pour la production ou le stockage d'énergie comme l'encourage par exemple le gouvernement chinois.

Certains acteurs pourraient également être tentés par une intégration de la filière. Blue Solutions par exemple, seul fabricant de batteries LMP semble vouloir développer en interne le recyclage de ses batteries. L'entreprise aurait dans ce cas tous les atouts pour gérer la seconde vie de ses batteries sachant qu'un des axes de son développement est le stockage stationnaire. On assiste à une stratégie similaire de la part de BYD en Chine.

L'entreprise TESLA, constructeur automobile qui a choisi d'assembler ses batteries envisage également d'intégrer l'aval. La réutilisation pourrait alimenter son activité sur le stockage stationnaire et à long terme cela pourrait également sécuriser en partie ses approvisionnements en matières premières.

Cependant, à l'heure actuelle la seconde vie des batteries cherche encore son modèle économique.

### 2.4.3 Des difficultés réglementaires

Une première difficulté réglementaire concerne la responsabilité du metteur sur le marché. Cette responsabilité concerne l'usage de la batterie.

Dans le cas d'une batterie en seconde vie, il est donc impératif de pouvoir identifier et encadrer les acteurs de la réutilisation, il faut également pouvoir assurer une garantie sur la seconde vie., etc.

Concernant la fin de vie des batteries dans le cas d'une filière REP, il s'agit de mettre en place un mécanisme qui annule la responsabilité de fin de vie du premier fabricant et met en œuvre la responsabilité de l'entreprise qui met sur le marché des batteries en seconde vie.

Dans la réglementation européenne actuellement, un produit « réemployé » ne passe pas par la case « déchet », la responsabilité du premier metteur en marché reste donc engagée (ce qui n'est pas le cas pour les produits « réutilisés »).

La réglementation devra clarifier l'ensemble de ces points et mettre en place les mécanismes de contrôle et de responsabilités adéquats. La position de la DGPR en France (voir plus haut) semble aller dans le sens d'une facilitation de toutes les activités de réemploi et réutilisation des batteries de VEH en évitant le classement en déchets (ou en facilitant la sortie du statut de déchet), ouvrant ainsi la voie à ces activités en dehors du champ de la réglementation contraignante des ICPE. Si on peut saluer cette approche qui facilite la seconde vie des batteries des VEH, il convient cependant de prévoir un cadre réglementaire qui prennent en compte les enjeux environnementaux (toxicité) et de sécurité, associés aux batteries Li-ion et permettent de garantir la traçabilité des produits en seconde vie au regard de la responsabilité des metteurs sur le marché.

Une autre difficulté réglementaire est liée aux opérateurs de réseau. En effet, ils ne peuvent pas posséder leurs propres systèmes de stockage d'énergie puisqu'ils seraient alors considérés comme des fournisseurs d'énergie. Or, la législation européenne impose aujourd'hui de séparer les deux types d'activité...
## 2.5 Couts et disponibilités des métaux

La croissance du marché des batteries Li-ion et les économies d'échelle associées ont permis depuis 2010 d'optimiser les procédés et de réduire fortement les couts de fabrication. Les couts directement liés aux matières premières (cathode, anode, électrolyte et séparateur) représentent près de 50 % du cout total de fabrication. A elle seule, la cathode représente 30 % du cout de fabrication des batteries Li-ion.

Les autres couts, déjà fortement optimisés, deviennent de plus en plus incompressibles (voir figures ci-dessous). D'où une sensibilité accrue (même si elle reste limitée – voir en conclusion du paragraphe) du cout de fabrication des batteries au cours des matières premières, et en particulier les métaux qui constituent les cathodes.

<figure><img src="image_15.png" /></figure>

**Fig. 13** : Evolution du cout moyen de fabrication d'une cellule pour batterie Li-ion (technologie NMC) – source AVICENNE ENERGY (2018)

**Fig. 14** : Cout moyen de fabrication des cellules et des packs pour la technologie NMC – Source AVICENNE ENERGY (2018)

**NB** : En 2017, la majorité des fabricants de cellules ne dégagent pas de rentabilité sur les marchés de masses (cellules pour VEH)

Sur un marché ou les prix sont le reflet d'un ajustement entre l'offre et la demande, on peut penser que des tensions peuvent apparaître sur certaines ressources dont la demande est en forte augmentation. Les acteurs du marché partagent leurs inquiétudes concernant en particulier le cout et la disponibilité du Lithium, du Cobalt et du Nickel, bien que ce dernier ne soit pas identifié comme un métal critique par l'Union Européenne.
<figure><img src="image_16.png" /></figure>

Sources: AVICENNE ENERGY 2017

<caption>**Fig 15** : Evolution des besoins en métaux pour la fabrication de batteries par rapport à production totale</caption>

Le graphique ci-dessus montre que le marché des batteries n'affiche pas la même dépendance à ces trois métaux. A partir de 2021, le marché des batteries captera plus de 50 % de la production de Lithium et de Cobalt. Alors que moins de 5% du Nickel produit dans le monde sera utilisé pour la fabrication de batteries (alors même qu'il est de plus en plus utilisé dans les batteries de VEH au détriment du Cobalt)

De ce fait, on peut déjà souligner en premier lieu qu'il existe une forte sensibilité des cours du Lithium et du Cobalt au marché des batteries. Ce qui n'est pas vrai pour le Nickel.

Concernant le Manganèse, son utilisation pour les batteries (LMO, NMC) ne représente que 2 % de la consommation mondiale soit environ 35 000 tonnes en 2018 et ne dépassera pas les 70 000 tonnes en 2021 (source OFI Asset Management). Au regard des réserves disponibles (le Manganèse constitue environ 0,1% de la croute terrestre, ce qui en fait le 12e élément le plus abondant sur la planète), les couts et la disponibilité de ce métal n'auront pas d'influence sur le marché des batteries. La suite propose d'étudier plus en détail les marchés du Lithium, du Nickel et du Cobalt.

### 2.5.1 Le Lithium

Les batteries rechargeables Li-ion représentent aujourd'hui le principal segment de consommation du marché du lithium (37% en 2015 et 46 % en 2017)<fnref n="69" />. Le Lithium étant un métal instable, il n'existe pas à l'état naturel. Sur le marché il est commercialisé principalement sous forme de carbonate, d'oxyde ou d'hydroxyde de Lithium.

<footnote n="69">⁶⁹ http://www.panorama-ifpen.fr/criticite-du-lithium/</footnote>
<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>• Part des différents secteurs dans la consommation de lithium en 2017</figcaption></figure>

**Fig 16** : part des différents secteurs d'activité dans la consommation de lithium (2017) – Source E. HACHE/IFPEN

Dans une batterie de VEH, le Lithium est contenu sous forme ionique dans le matériau actif de la cathode (95 %) et dans le sel de l'électrolyte (5%). Pour une batterie de 250 kg, Il faut compter environ 15 kg de carbonate de Lithium (correspondant à environ 3 kg de lithium-métal), soit un cout d'environ 200 USD au cours de 2017. Or une batterie coute environ 7700 USD (pour une batterie de 35 KWh à 220 USD / KWh). Le Lithium représente donc moins de 3% du cout de fabrication d'une batterie.

Bloomberg a calculé en 2017⁷⁰ qu'un triplement du cours du Lithium aurait pour conséquence une augmentation de 2 % du prix des batteries (alors que ce chiffre monte à près de 13 % dans le cas du Cobalt), ce qui est relativement faible.

La demande en Lithium augmente continuellement. Elle est de 43 000 T (USGS, 2017⁷¹) équivalent Lithium-métal et pourrait être multipliée par 3 d'ici 2025 (soit environ 130 000 T équivalent Lithium-métal). Cette augmentation est étroitement liée à la demande croissante des batteries rechargeables (voir graphique ci-dessous)

<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>**Fig 17** : Evolution prévisible de la demande en lithium (sous différentes formes)
Source : Closeloop<fnref n="72" /></figcaption></figure>

<footnote n="70">⁷⁰ https://www.bloomberg.com/graphics/2017-lithium-battery-future/</footnote>

<footnote n="71">⁷¹ Mineral commodities summary 2018 (USGS)</footnote>

<footnote n="72">⁷² Closeloop : Raw Material for Li-ion and Redox flow batteries – Dr Pertti Kauranen (Nordbatt 2017 – 1-3 Nov 2017, Kokkola)</footnote>
La production mondiale de Lithium est historiquement partagée entre deux principales sources lithinifères :

* Les saumures, tels que les *salars* d'Amérique du Sud situés dans le « triangle du lithium », partagés entre l'Argentine, le Chili et la Bolivie. Ils représentent 55% de la production mondiale en 2015 (cependant seuls le Chili et l'Argentine les exploitent actuellement).

* Les minéraux lithinifères issus des, pegmatites, greisens et coupoles de granites à métaux rares, tels que Greenbushes en Australie – représentant 45% de la production mondiale en 2015.

Cependant, depuis quelques décennies, de nombreuses ressources dites « non-conventionnelles » présentant de nouveaux axes potentiels de production ont été identifiées.

L'USGS estimait en 2017 les réserves mondiales en Lithium à 14,5 Mt équivalent Lithium-métal (le Chili, la Chine et l'Argentine étant les principaux pays hôtes) alors que les ressources<sup>73</sup> sont estimées à 40,7 Mt équivalent Lithium métal (la Bolivie, l'Argentine et le Chili étant les principaux acteurs).

Distribution des réserves et ressources en lithium

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>**Fig 18.** Distribution des réserves et ressources en Lithium</figcaption></figure>

Au regard de ces éléments, on peut conclure qu'il n'existe pas de tensions à long terme sur le Lithium. Les réserves étant suffisantes pour combler l'accroissement de la demande. Il ne devrait pas non plus exister de tension à court terme puisque l'USGS estime dans son rapport annuel (2018) sur les ressources que les capacités mondiales de production sont de 58 000 tonnes équivalent Lithium-métal en 2016 (Pour une demande de 43 000 T en 2017).

De plus la société ERAMET confirme la possibilité de développer des capacités supplémentaires de production en moins d'un an pour la séparation/évaporation de saumure. Un projet d'investissement

<footnote n="73"><sup>73</sup> Les réserves constituent la partie économiquement exploitable des ressources aux conditions technico-économiques du moment.</footnote>