LA REVUE SPÉCIALISÉE DU NICKEL ET DE SES APPLICATIONS
NICKEL, VOL. 39, Nº 3. 2024
Le nickel : une ressource stratégique
Latérites nickélifères : la lixiviation acide à haute pression
Matières premières critiques et stratégiques
L’énergie du futur : les progrès des batteries au nickel
ÉTUDE DE CAS 32 PONT-TUNNEL DE HAMPTON ROADS
Afin de garantir la longévité et de réduire les besoins d’entretien, le cahier des charges prescrit l’emploi de 16 329 tonnes de barres d’armature en acier inoxydable duplex 2304 (UNS S32304) pour les parties essentielles des structures en béton armé. L’alliage duplex 2304 est un matériau rentable offrant ductilité, excellente robustesse et bonne résistance aux rigueurs du milieu maritime. Le pont-tunnel de Hampton Roads incorporera plus de 635 tonnes de nickel.
Le plus grand chantier d’infrastructure de transport dans l’histoire de la Virginie se poursuit. Il s’agit d’élargir le pont-tunnel de Hampton Roads (HRBT, pour Hampton Roads Bridge-Tunnel), et l’acier inoxydable au nickel joue un rôle clé tant au-dessus qu’au-dessous de l’eau dans cette entreprise complexe et transformatrice estimée à 3,9 milliards de dollars US. L’ouvrage conjugue ponts sur chevalets, îles artificielles et tunnels sur une distance de 5,6 km.
Le HBRT était déjà une merveille en 1957, quand le premier tunnel à tubes immergés a été installé.
L’élargissement comprend de nouveaux tunnels jumeaux, qui ajoutent quatre voies aux quatre voies existantes afin de doubler la capacité pour décongestionner le trafic. Des matériaux très durables comme l’acier inoxydable ont été choisis pour porter à 100 ans la longévité de l’ouvrage.
La conception et la construction sont assurées par un partenariat regroupant Dragados USA, Flatiron Constructors, VINCI Construction et Dodin Camperon Bernard, ainsi
que HDR et Mott MacDonald pour la maîtrise d’œuvre.
La planification du chantier, commencée en 2014, prévoyait un élargissement des tabliers, 27 remplacements et élargissements de ponts, ainsi que des études géotechniques et d’impact environnemental.
En 2023, le tunnelier a commencé à creuser les nouveaux tubes de 14 m de diamètre à une profondeur supérieure d’environ 15,2 m à celle des tunnels à tubes d’acier immergés de 2,3 km de long. Ce tunnelier de 4 264 tonnes (surnommé « Mary ») a fini de creuser le premier tunnel en avril 2024, marquant ainsi une étape importante.
ÉDITORIAL LE MÉTAL STRATÉGIQUE DU FUTUR
Dans un monde qui continue de déployer ses efforts de décarbonation en réponse aux changements climatiques, le nickel est devenu un élément essentiel de la transition vers une économie durable. Tandis que les nations se libèrent lentement de l’emprise des combustibles fossiles, les gouvernements voient dans le nickel un élément critique pour leurs stratégies économiques et énergétiques, tant il a un rôle à jouer dans presque tous les types d’énergies renouvelables. Il ne s’agit pas d’un soubresaut éphémère, mais plutôt d’une prise de conscience reflétant de grands basculements économiques et géopolitiques et hissant le nickel au rang de ressource stratégique pour le XXIe siècle. Les nations ont besoin de nickel. Ce numéro de Nickel présente une analyse de la place du nickel dans le débat sur les matières premières critiques et stratégiques.
stratégique (adjectif)
Qui fait partie d’un plan visant à réaliser un objectif bien déterminé ou à obtenir un avantage décisif
Quoi de plus stratégique que les systèmes de transport efficaces qui décongestionnent le trafic pour faciliter la circulation des personnes et des biens ? Ou que les efforts visant à réduire les émissions et à encourager l’adoption de véhicules électriques performants ? Le nickel y joue aussi un rôle stratégique. L’élargissement d’une grande infrastructure routière aux États-Unis (le ponttunnel de Hampton Roads) nécessitera plus de 635 tonnes de nickel contenues dans les barres d’armature en acier inoxydable qui garantiront son maintien en service pour les prochaines décennies. Et le nickel joue un rôle critique dans les batteries qui alimenteront les véhicules électriques du futur (voir les avancées récentes en page 10).
Alors, tandis que les industries, les nations et leurs gouvernements continuent d’élaborer des stratégies pour créer un avenir durable, une chose est certaine : le nickel est une ressource critique, stratégique, et plus rayonnante que jamais. À l’image des vedettes de notre quatrième de couverture : les magnifiques éléphants de l’aéroport Suvarnabhumi de Bangkok.
Clare Richardson Rédactrice en chef
L’usine de lixiviation acide à haute pression (HPAL) de Harita Nickel (NCKL)
Une nouvelle génération d’usines de lixiviation acide à haute pression alimentée par des minerais latéritiques fournit un nickel critique non seulement pour électrifier sans délai les systèmes de transport, mais aussi pour répondre à la demande croissante d’acier inoxydable, matériau indispensable à la production d’énergies renouvelables (page 6).
02 Étude de cas 32
Pont-tunnel de Hampton Roads
NICKEL SOMMAIRE
Le métal stratégique du futur
En bref 06 Traitement des latérites
Lixiviation acide à haute pression 08 Critique et stratégique
Où se situe le nickel ?
10 L’énergie du futur
Les progrès des batteries au nickel
12 Le nickel excelle à haute température
13 Alliages au nickel
Les alliages à haute entropie
14 Le saviez-vous ?
15 Pourquoi le nickel ?
15 Codes UNS
16 Les éléphants de l’aéroport Suvarnabhumi
La revue Nickel est publiée par le Nickel Institute. www.nickelinstitute.org
Président : Hudson Bates
Rédactrice en chef : Clare Richardson communications@nickelinstitute.org
Collaborateurs : Parvin Adeli, Gary Coates, Richard Matheson, Mark Mistry, Geir Moe, Kim Oakes, Pablo Rodríguez Domínguez, Frank Smith, Lyle Trytten, Odette Ziezold
Conception : Constructive Communications
Les articles sont destinés à l’information générale du lecteur et celui-ci ne doit pas s’y er pour des applications particulières sans avoir obtenu au préalable les conseils de spécialistes compétents. Bien que les informations données soient considérées comme techniquement exactes, le Nickel Institute, ses membres, son personnel et ses consultants ne garantissent pas leur adéquation à quelque usage particulier ou général que ce soit et déclinent toute responsabilité à leur égard.
ISSN 0829-8351
Imprimé au Canada, sur papier recyclé, par Hayes Print Group
Photos de banques d’images : iStock©Henrik5000 (couverture); iStock©borzaya (p. 4); iStock©Hispanolistic, iStock©Zocha_K (p. 5); iStock©MonaMakela (p. 6); iStock©onurdongel (p. 8); iStock©Tramino (p. 10).
Accélérer la création de médicaments
Une équipe de recherche de lʼuniversité dʼÉtat de lʼOhio a mis au point un nouveau complexe de nickel qui permettra à lʼindustrie pharmaceutique dʼaccélérer la création de médicaments efficaces. En simplifiant la formation de liaisons alkyles, ce nouvel outil ouvrira la voie à des processus chimiques organiques jusque là impossibles. Selon Christo Sevov, le chercheur principal de lʼétude, « en conjuguant de façon inédite synthèse organique, chimie des métaux et science des batteries, nous avons trouvé le moyen dʼexploiter leurs extraordinaires propriétés ». La possibilité de produire une nouvelle molécule à partir dʼune seule réaction chimique permettra aux équipes de recherche de créer jusquʼà 96 nouvelles versions dʼun médicament dans le temps habituellement nécessaire pour en créer une seule. In fine, cela réduira les coûts de développement et les délais de lancement de médicaments salvateurs tout en augmentant leur efficacité et en diminuant les risques dʼeffets secondaires. Lʼétude est publiée dans Nature Magazine.
Gain de résistance en orthopédie
Une équipe de recherche de l’université du Jilin à Changchun (Chine) innove en mettant au point un alliage nickel-titane obtenu par fusion sélective par laser offrant une meilleure résistance à la traction. Résultat : la promesse d’implants orthopédiques sur mesure plus individualisés et nécessitant moins de coûteuses révisions ponctuelles. Les alliages nickel-titane (NiTi) s’utilisent largement en orthopédie en raison de leurs propriétés hors pair. L’équipe de recherche (Hao et coll.) a préparé le nouvel alliage NiTi par fusion sélective par laser et découvert que « en modifiant la longueur et la direction de passage du laser, on prévenait la formation de cristaux colonnaires unidirectionnels dans l’alliage NiTi produit par fusion sélective par laser, ce qui améliorait son allongement en traction jusqu’à 15,6 % ». Un progrès de plus pour les médecins et leurs patients.
Un ciment plus écologique
En collaboration avec l’université d’État de Makassar (Indonésie), l’entreprise australienne Suvo Strategic Minerals (SSM) a réussi à transformer du laitier de nickel en un ciment bas carbone très résistant et peu coûteux. Les mesures de décarbonation du ciment sont primordiales, car son industrie est l’une des plus émettrices de GES au monde alors que la demande continue de croître. Collaborant avec Huadi, un producteur d’alliages de nickel du parc industriel du district de Bantaeng, Climate Tech Cement, une filiale de Suvo, projetait de produire un ciment géopolymère écologique destiné à remplacer le ciment de mâchefer traditionnel. « Obtenir une résistance allant jusqu’à 37,5 MPa après seulement sept jours est un résultat remarquable pour une première série d’essais », explique Aaron Banks, PDG de SSM, avant d’ajouter que « la réduction des émissions de l’industrie du ciment est analogue au rôle des véhicules électriques dans le remplacement des moteurs à combustion interne ».
Superalliages
un nouveau palier
Quand le département de l’Énergie des États-Unis a voulu améliorer le rendement de coulée pour les superalliages monocristallins utilisés dans les turbines à gaz industrielles, une entreprise de l’Illinois, QuesTek Innovations, a relevé le défi. Grâce à leur excellente résistance au fluage, les superalliages au nickel s’utilisent dans les composants de veine gazeuse des turbines à gaz. Pour obtenir les capacités mécaniques maximales de ces matériaux, il faut les couler en monocristallin. L’industrie a le plus souvent utilisé des aubes produites par coulée conventionnelle ou par solidification orientée. Entreprise de premier plan en ingénierie des matériaux par modélisation intégrée, Questek innove en mettant au point un superalliage au nickel coulable et monocristallin contenant 1 % de rhénium (moins que les alliages pour aubes de turbine à gaz industrielle haute performance de prochaine génération). Il offre en outre des rendements de coulée élevés et un bon comportement dans différentes applications, franchissant ainsi un nouveau palier de performances et de rentabilité. Mission accomplie.
L’INDUSTRIE DU NICKEL, PARTIE 3
TRAITEMENT DES LATÉRITES
NICKÉLIFÈRES
PAR LIXIVIATION
ACIDE À HAUTE PRESSION
La partie 3 de cette série se penche sur la lixiviation acide à haute pression, de plus en plus utilisée pour fournir aux fabricants de batteries des composés intermédiaires au nickel (tels que des précipités d’hydroxyde mixte et de sulfure mixte) pouvant servir à produire un sulfate de nickel pur destiné à la fabrication de batteries.
La lixiviation acide à haute pression (HPAL, pour High-Pressure Acid Leaching) date de près de 70 ans, mais elle s’emploie de plus en plus pour répondre à la demande de batteries au nickel.
L’idée est simple : ajouter de l’acide sulfurique et accroître la température pour dissoudre tout le minerai, puis neutraliser l’acide excédentaire, retirer les métaux non désirés et récupérer les métaux désirés.
La lixiviation
La lixiviation se fait à haute pression à une température d’environ 250 °C. Elle met en solution les matériaux à valoriser et laisse en résidu la plus grande partie du fer et de l’aluminium contenus dans le minerai. La chaleur et l’acidité en font un procédé extrêmement agressif nécessitant des matériaux sophistiqués, par exemple de l’acier au carbone titanisé par explosion (une fine couche de précieux titane protégeant de la corrosion une épaisse couche d’acier au carbone, suffisamment résistant, mais moins coûteux). Le minerai latéritique humide est mélangé à de l’eau et tamisé afin d’en retirer les matières granulaires, puis épaissi pour en faire un liquide visqueux, mais toujours pompable. Cette boue est alors portée à la température de réaction (plus de 90 % de l’énergie de chauffage agit sur l’eau plutôt que sur les solides). Pour réduire les coûts de chauffage, on laisse les boues rejetées revenir à température ambiante en récupérant leur vapeur de détente pour préchauffer les boues d’alimentation.
Neutralisation de l’acide excédentaire
Avant la récupération des métaux, l’acide excédentaire est neutralisé par l’ajout de calcaire broyé afin de former un résidu gypseux. Les résidus mixtes sont ensuite lavés, en général par décantation à contre-courant, avant le dépôt des résidus de lavage. La pratique courante consiste à déposer les rejets sous forme de boues épaissies dans des installations techniques de gestion des résidus situés sur des terrains adjacents à la station de traitement et à recycler les liquides qui se séparent des solides sédimentés.
Récupération des métaux
Une fois l’acide neutralisé, la solution contient principalement du nickel et du cobalt, puis de faibles quantités de zinc et de cuivre et des quantités plus importantes de fer, d’aluminium et de manganèse, ainsi que du magnésium en concentration substantielle. Le cuivre et le zinc n’ayant pas de véritable importance économique (en général moins de 2 % de la valeur totale), ils peuvent être retirés et traités comme déchets ou sous-produits. Il y a alors plusieurs manières de récupérer le nickel et le cobalt.
La première usine de lixiviation acide à haute pression a été installée à la fin des années 1950 dans la baie de Moa, à Cuba. Avec cet équipement, puis avec
LA LIXIVIATION ACIDE À HAUTE PRESSION (HPAL)
Minerai humide (limonite)
Vapeur
Acide sulfurique HPAL
≈ 250 °C
Calcaire
Neutralisation
Recyclage de la vapeur
quelques autres par la suite, on a choisi d’utiliser du sulfure d’hydrogène pour précipiter un sulfure mixte intermédiaire devant être raffiné en nickel de classe 1. Le précipité de sulfure mixte (MSP, pour Mixed Sulphur Precipitate) est plutôt pur et dense et se tasse bien, ce qui le rend excellent pour le transport sous forme de poudre humide contenant 50 à 55 % environ de nickel et de cobalt. Le précipité d’hydroxyde mixte (MHP, pour Mixed Hydroxide Precipitate) est devenu très courant ces dix dernières années. Dans ce cas, on utilise un hydroxyde caustique ou de l’hydroxyde de magnésium pour précipiter un produit intermédiaire contenant beaucoup plus d’humidité (environ 50 % en poids) et moins de nickel et de cobalt (environ 40 %), si bien que le produit transporté n’en contient qu’environ 20 % en poids.
Traitement des effl uents
Après la récupération des métaux valorisés (nickel et cobalt), il reste une grande quantité de solution effluente contenant d’importantes quantités de magnésium et un peu de manganèse sous forme de sulfates. On procède à un recyclage partiel afin de conserver l’eau, ce qui fait augmenter la concentration en magnésium jusqu’à ce qu’il devienne nécessaire de purger le circuit pour l’éliminer. En climat aride, on laisse la solution s’évaporer et les sulfates de métaux se cristalliser dans le bassin, tandis qu’en climat tropical, l’effluent est rejeté dans l’océan. Avant le rejet, les métaux réglementés (Cr, Mn, Ni, Co) doivent être retirés jusqu’à une concentration acceptable.
Séparation des résidus
Calcaire
Magnésie, hydroxyde caustique ou sulfure d’hydrogène
Retrait des métaux
Retrait des métaux
ou MSP
Résidus E uents
HPAL de nouvelle génération
Les usines de lixiviation acide à haute pression sont sujettes à d’importants problèmes de démarrage, souvent liés à des conditions rigoureuses nécessitant des matériaux de construction en couches (comme dans les autoclaves revêtus de titane et les autres cuves revêtues de caoutchouc ou de briques) et de multiples étapes de traitement successives fonctionnant toutes à des cadences similaires. Une nouvelle génération d’usines de ce type débute actuellement en Indonésie et il semble que l’expérience acquise par les entreprises qui les construisent en série donne des installations fonctionnant bien dès le premier jour.
Avec les usines de lixiviation acide à haute pression, les questions environnementales sont très différentes de celles qui se posent pour les installations associant four rotatif et four à arc électrique (procédé RKEF) : la lixiviation acide à haute pression émet relativement peu de gaz à effet de serre, surtout si l’acide sulfurique est produit sur place. Cependant, elle produit beaucoup de résidus de traitement nécessitant une mise en bassin permanente. Celle-ci peut se faire de manière à réduire les risques au minimum, mais une véritable élimination de ces résidus passerait forcément par une méthode circulaire consistant à les retraiter pour produire d’autres matériaux tels que du minerai ou des agrégats de fer. Tout cela est à l’étude, mais demeure difficile vu la complexité des procédés chimiques requis.
Le procédé de lavage par décantation à contrecourant utilise plusieurs épaississants en série pour débarrasser la solution de matériaux à valoriser des résidus de traitement. À chaque étape, la boue arrivant de l’étape précédente est mélangée au liquide de lavage de l’étape suivante, puis épaissie et transférée à celle-ci. À la dernière étape, la boue est lavée à l’eau ou avec une autre solution stérile, qui remonte la chaîne tandis que les solides descendent. Ce procédé réduit la concentration de matériaux à valoriser d’environ 50 % à chaque étape, si bien qu’au bout de 6 ou 7 étapes, on en a récupéré plus de 97 %.
LE LAVAGE PAR DÉCANTATION À CONTRE-COURANT
Jus de lixiviation neutralisé à 35 % de solides
Solution produite
Eau de traitement
Boue de résidus à 45 % de solides
MATIÈRES PREMIÈRES CRITIQUES ET STRATÉGIQUES
OÙ SE SITUE LE NICKEL ?
Certaines matières premières sont désignées comme critiques ou stratégiques parce qu’elles sont essentielles pour les industries prioritaires, la stabilité économique, la sécurité nationale et l’innovation technique. Sans accès fiable à ces matériaux, des secteurs comme ceux de la défense, de l’énergie, des télécommunications et de l’électronique seraient confrontés à de graves bouleversements.
Le nickel est l’une de ces matières premières qui retiennent l’attention des gouvernements du monde entier.
De la construction mécanique et automobile à l’électronique, les matières premières constituent le socle de presque toutes les grandes chaînes de valeur industrielles dont dépendent l’économie et la société civile. Pourtant, l’importance de ces matériaux passe souvent inaperçue jusqu’à ce que des pénuries se déclarent, ce qui arrive pour de multiples raisons (déséquilibres entre offre et demande, tensions géopolitiques, recyclage restreint, etc.).
Ces dernières décennies, les pénuries de minerai de fer, de charbon à coke, de terres rares, de magnésite et de silicium ont perturbé les chaînes de valeur industrielles, et par conséquent des économies entières.
En réaction, le début des années 2000 a donné lieu dans plusieurs régions, notamment aux États-Unis et dans l’Union européenne, à des « évaluations de criticité » des matières premières
essentielles. Ces évaluations visaient à anticiper les risques pour assurer des flux d’approvisionnement ininterrompus. Aujourd’hui, plus de 25 pays réalisent de telles évaluations, en déterminant les matières premières vitales pour leurs industries et leurs économies et les mesures propres à réduire les risques pour l’approvisionnement. Définir la criticité des matières premières
Mais comment se définit la criticité des matières premières ? Les critères varient quelque peu d’un pays à l’autre, mais les principes de base restent les mêmes dans une large mesure.
La plupart des évaluations reposent sur deux facteurs clés : le risque pour l’approvisionnement et l’importance
économique. Une matière première est considérée comme critique lorsqu’elle joue un rôle essentiel dans les chaînes de valeur industrielles et que sa chaîne d’approvisionnement risque d’être perturbée. Ces risques pour les approvisionnements résultent souvent d’une production concentrée dans un petit nombre de pays ou d’entreprises, de la volatilité des relations commerciales, d’une infrastructure de recyclage insuffisante ou de l’absence de substituts viables.
Critiques ou stratégiques ?
Dans ce domaine, on parle aussi de plus en plus de matières premières « stratégiques ». Dans l’Union européenne, ce qualificatif désigne les matières premières qui sont importantes, mais qui ne sont pas considérées comme « critiques » parce qu’elles ne présentent pas actuellement de risques d’approvisionnement.
Le nickel est largement considéré comme un matériau « critique » dans de nombreuses régions et notamment aux États-Unis, au Canada, en Chine et au Japon. Mais pour quelles raisons ?
Cela est dû à son rôle primordial dans les transitions énergétique et numérique, en particulier comme composant essentiel des batteries de véhicule électrique et des systèmes de production électrique bas carbone. L’accroissement de la demande dans ces domaines fait augmenter l’importance du nickel. Dans l’UE, le nickel est considéré comme une matière première à la fois « critique » et « stratégique ». Cela
reflète non seulement son importance économique actuelle, mais aussi le rôle central qu’il devrait jouer dans le futur. Implications d’un statut critique ou stratégique
Mais l’industrie du nickel tire-t-elle un avantage du fait que ses produits sont considérés comme « critiques » ou « stratégiques » ? La prise de conscience accrue des besoins en nickel a entraîné une variété de mesures visant à sécuriser les approvisionnements. Les gouvernements ont commencé à simplifier les processus de délivrance des permis afin d’encourager la production intérieure, à investir dans les techniques de recyclage et à entreprendre des efforts diplomatiques en vue de garantir l’accès aux régions riches en nickel. Pour l’industrie du nickel, ces mesures gouvernementales pourraient faire croître le soutien aux initiatives d’extraction minière, de traitement et de recyclage, ainsi que le financement de la recherche-développement.
À la fois critique et stratégique
En tant que métal présentant des propriétés exceptionnelles (comme sa résistance à la corrosion et sa résistance mécanique à haute température), le nickel joue un rôle irremplaçable dans les sociétés modernes. Son emploi omniprésent, des infrastructures jusqu’aux technologies de pointe, ne cesse de renforcer sa position au cœur de l’économie mondiale. C’est donc une matière première à la fois critique et stratégique jouant un rôle essentiel tant aujourd’hui que pour l’avenir.
Évaluations de la criticité des matériaux
Critique
Stratégique
L’ÉNERGIE DU FUTUR : LES PROGRÈS DES BATTERIES AU NICKEL
Le nickel participe à de nombreux progrès essentiels annoncés ces derniers mois dans le domaine des VE et du stockage par batteries.
Avec le développement rapide des véhicules électriques (VE), l’attention se focalise sur l’amélioration des performances, de la sécurité et du rapport coût-rendement de leurs batteries. Au cœur de cette innovation se trouve le nickel, qui joue un rôle critique dans nombre de couples électrochimiques utilisés dans les batteries des VE.
Le nickel s’utilise dans différents types de batteries lithium-ion pour accroître leur densité d’énergie, et donc l’autonomie des véhicules. C’est un composant essentiel des batteries NMC (nickel-manganèse-cobalt), qui s’utilisent largement dans les VE. Ces batteries offrent un bon équilibre entre densité d’énergie, stabilité thermique et coût de production. Et dans la course à l’autonomie, les constructeurs tendent à augmenter la teneur en nickel des cathodes NMC.
Le cas de Tesla Tesla, par exemple, a annoncé un passage aux batteries de type NMC 955 (90 % de nickel, 5 % de manganèse, 5 % de cobalt) pour remplacer le type
NMC 811 (80 % de nickel). Cet ajustement vise à accroître encore plus la densité d’énergie des cellules de batterie tout en réduisant un peu la dépendance au cobalt. Par ailleurs, Tesla étudie aussi une variante NMC 973 (90 % de nickel, 7 % de manganèse, 3 % de cobalt). La plus forte teneur en nickel de ces cellules accroît leur capacité, et donc l’autonomie des véhicules, mais garantir leur sécurité et leur longévité demeure un défi technique.
Des cathodes plus performantes L’une des grandes avancées des batteries au nickel réside dans le développement de matériaux cathodiques de pointe et de procédés de production plus efficaces.
Novonix, un fabricant de matériaux pour batteries de premier plan, a introduit un procédé zéro déchet entièrement sec pour la synthèse de cathodes au nickel. En éliminant le recours aux solvants et la production de déchets, cette innovation réduit considérablement l’impact environnemental de la fabrication des batteries. Qui plus est, cette technique accroît les performances du matériau cathodique, notamment son rendement et sa durabilité.
Concilier densité d’énergie et stabilité
LG Energy Solution (LGES) contribue aussi au progrès en prévoyant la production en série de batteries mi-nickel à haute tension d’ici 2025. En conjuguant forte densité d’énergie et stabilité, ces batteries offrent un équilibre essentiel pour les VE.
Une autre avancée importante pour les VE est la production en série par Panasonic de la cellule lithium-ion cylindrique 4680. Avec sa capacité cinq fois supérieure à celle de la cellule 2170 d’usage courant, ce format promet de révolutionner l’industrie des VE en accroissant leur autonomie et en réduisant le nombre de cellules par batterie. La cellule 4680 incorpore un fort pourcentage de nickel qui améliore aussi sa densité d’énergie.
L’usine Panasonic de Wakayama (Japon) sera le principal centre de production de la cellule 4680. L’entreprise y intègre des méthodes de production avancées, car elle servira aussi de site de démonstration pour la fabrication à l’échelle mondiale. La cellule 4680 devrait réduire considérablement les coûts de production des VE et élargir ainsi leur marché en les rendant plus accessibles.
Batteries nickel-zinc
Alors que le nickel demeure un matériau critique pour les batteries haute performance des VE, d’autres couples électrochimiques sont également à l’étude. ZincFive, un leader des batteries nickel-zinc (NiZn), élargit ses opérations aux États-Unis pour produire des batteries destinées aux solutions d’alimentation immédiate. Les batteries NiZn retiennent de plus en
plus l’attention en raison de leur forte puissance de sortie et de leur sécurité intrinsèquement supérieure à celles des batteries lithium-ion. Elles sont particulièrement utiles pour les unités de stockage des systèmes nécessitant des pointes de puissance rapides, comme le réseau électrique et les centres de données.
Bien que les batteries NiZn ne se prêtent pas encore à un déploiement généralisé dans les VE, en raison de leur faible densité d’énergie par rapport aux batteries lithium-ion, leur sûreté et leurs avantages environnementaux en font une option intéressante pour certaines utilisations.
Batteries tout-solide
Pour l’avenir, les batteries tout-solide, qui remplacent l’électrolyte liquide des cellules lithium-ion conventionnelles par un électrolyte solide, promettent d’apporter une plus forte densité d’énergie et une plus grande sûreté. Dans le cadre du projet Solstice, Mercedes-Benz collabore avec Factorial pour mettre au point des batteries tout-solide. Celles-ci devraient faire augmenter la densité d’énergie de 80 % par rapport aux cellules lithium-ion actuelles, en partie grâce à des matériaux cathodiques de pointe incluant notamment des compositions riches en nickel.
Le nickel au cœur du progrès
Tandis que l’industrie des véhicules électriques poursuit son essor, le nickel prend un rôle de plus en plus important dans la technologie des batteries. Des cathodes à forte teneur en nickel utilisées par Tesla aux cathodes mi-nickel haute tension de LGES, ce matériau est au cœur des innovations promettant d’étendre l’autonomie, d’améliorer les performances et de réduire les coûts. En même temps, les avancées dans le développement des additifs de sécurité, des autres couples électrochimiques (comme le NiZn) et des cellules toutsolide laissent entrevoir l’avènement de batteries de VE plus sûres et plus performantes.
Les batteries tout-solide devraient faire augmenter la densité d’énergie de 80 % par rapport aux cellules lithium-ion actuelles, en partie grâce à des matériaux cathodiques de pointe incluant notamment des compositions riches en nickel.
LE NICKEL EXCELLE À HAUTE TEMPÉRATURE
Les plateaux ci-dessus servent à empiler des éléments d’engrenage devant subir un traitement de cémentation à 925 °C puis une trempe neutre à 845 °C. Les montants cannelés sont en alliage corroyé RA330® extrudé; ils remplacent des montants en alliage coulé qui avaient peu duré en raison d’une incapacité à se redresser due à leur faible ductilité.
Différents traitements thermiques jouent un rôle primordial pour optimiser les propriétés des composants de l’automobile, de l’aérospatiale, de la production d’énergie et d’autres industries. Aujourd’hui, cela concerne au premier chef les véhicules électriques, car les composants thermotraités sont essentiels aux gains de rendement et réductions de poids visant à accroître leur autonomie.
Les aciers inoxydables au nickel de la série 300 et les alliages de nickel sont les matériaux de choix pour les dispositifs placés dans les fours de traitement thermique. La cémentation (qui consiste à faire pénétrer du carbone par diffusion dans la surface d’un acier) et la nitruration (traitement analogue, mais avec de l’azote) confèrent à l’acier une surface dure et résistante à l’usure tout en préservant la robustesse et la ductilité du cœur de la pièce. Les alliages au nickel utilisés pour les plateaux, courroies et autres éléments leur assurent une longévité accrue au fil de nombreux cycles. Ces matériaux offrent une forte résistance mécanique à haute température, conservent leur ductilité et se comportent bien en atmosphère oxydante. Disponibles sous différentes formes, ils se façonnent et se soudent facilement. Considérés comme un prolongement de la série 300, les alliages haute température au nickel présentent en plus les propriétés améliorées requises dans des conditions plus rigoureuses.
Pour le service à haute température, on utilise des matériaux tant coulés que corroyés. Les pièces coulées ont presque leur forme finale et peuvent présenter une forte teneur en carbone pour mieux résister au fluage.
L’alliage HK40 (UNS J94204) contient de 0,35 à 0,45 % de carbone, tandis que le 310S (S31008) en contient 0,08 %. Comme ils contiennent tous deux 25 % de chrome et 20 % de nickel, ils ont un comportement similaire par
ailleurs. Les pièces coulées tendent à avoir des parois plus épaisses que celles des matériaux corroyés, ce qui peut être avantageux dans de nombreuses applications, mais cela peut aussi poser des problèmes de poids. En raison de leur plus forte taille de grain, les pièces coulées peuvent aussi poser des problèmes de soudabilité, mais ceux-ci peuvent généralement se résoudre. Les pièces en alliage haute température peuvent être produites par coulée en sable, par coulée centrifuge ou par moulage de précision à modèle perdu.
Les matériaux corroyés (plaques, tôles, tuyaux, barres, etc.) sont destinés à la fabrication de composants par soudage et façonnage. Leur plus faible teneur en carbone contribue à leur soudabilité, en particulier quand des réparations sont nécessaires. Tous les modèles doivent tenir compte de la dilatation du métal à haute température pour prévenir la distorsion. L’alliage 330 (N08330) s’emploie couramment dans le traitement thermique en raison de sa résistance à l’oxydation, de sa ductilité et de sa durabilité en milieux carburants (due à sa teneur en silicium). Les alliages corroyés peuvent contenir des éléments comme le cérium et l’azote pour améliorer leur résistance au fluage et à l’oxydation ainsi que leur stabilité métallurgique.
En règle générale, les alliages au nickel excellent dans presque tous les usages à haute température.
LES ALLIAGES À HAUTE ENTROPIE
Dans la conception des alliages classiques, on choisit un élément principal (fer, cuivre, aluminium, etc.) pour ses propriétés. On lʼenrichit ensuite dʼautres éléments en faibles quantités pour améliorer ses propriétés ou lui en ajouter. Lʼexemple le plus simple est celui de lʼacier, qui est un alliage de fer (99 % environ) et de carbone (jusquʼà 1 % environ). Le carbone y améliore grandement la résistance mécanique. Un exemple plus complexe est celui de lʼacier inoxydable de nuance 304L (UNS S30403), qui contient environ 72 % de fer, 18 % de chrome et 8 % de nickel. Ces deux derniers éléments sont essentiels pour produire un acier résistant à la corrosion et facile à façonner.
En 2003, une équipe de recherche a découvert une nouvelle classe d’alliages, aujourd’hui appelés alliages à haute entropie (AHE), composés d’au moins cinq métaux en proportion presque équimolaire. L’étude initiale portait sur un alliage CoCrFeMnNi qui s’est avéré présenter des propriétés mécaniques à basse température exceptionnelles et une ténacité élevée, et dont la ductilité et la limite d’élasticité augmentent toutes deux à mesure que la température d’essai diminue depuis la température ambiante jusqu’à
DIAGRAMME D’ASHBY POUR LE COMPROMIS ENTRE LIMITE
D’ÉLASTICITÉ ET TÉNACITÉ
-196 °C. Il pourrait avoir des utilisations comme matériau de structure dans les procédés à basse température ou, en raison de sa grande ténacité, comme matériau amortisseur.
L’alliage Al0,5CoCrCuFeNi, qui contient une petite addition d’aluminium, s’est avéré avoir une limite d’endurance à la fatigue particulièrement élevée, qui pourrait dépasser celle de certains aciers et alliages de titane classiques. Cependant, vu l’importante variabilité des résultats obtenus, une étude plus approfondie s’impose.
Alliages à haute entropie \
Alliages de nickel \ Acier inoxydable \ CrMnFeCoNi \ Superalliages au nickel / CrCoNi / Métaux et alliages
Alliages de cuivre
Alliages d’aluminium
Alliages de magnésium
Polymères (plastiques)
Béton | Granit |
Céramiques non techniques
Verres
Céramiques techniques (carbure de tungstène, nitrure de silicium, etc.).
Alliages de titane
Les AHE constituent une classe de matériaux de pointe présentant des propriétés mécaniques et une résistance à la corrosion exceptionnelles. Ceux qui contiennent du nickel se distinguent et impressionnent par leur robustesse, leur ductilité et leur résistance à l’oxydation. Le coût élevé des métaux qui les composent limitera probablement leur utilisation, mais leurs propriétés potentiellement exceptionnelles peuvent présenter d’importants avantages dans les systèmes devant conjuguer stabilité thermique et résistance mécanique à haute température (moteurs à réaction, aéronefs hypersoniques, etc.), voire dans l’automobile ou en cryogénie en raison de leur remarquable ténacité et de leur grande robustesse.
« Diagramme d’Ashby pour le compromis entre limite d’élasticité et ténacité montrant que les alliages à haute entropie à base CoCrNi comptent parmi les matériaux connus à ce jour pour être les plus tolérants aux dommages. » — Bernd Gludovatz
Les axes du diagramme sont logarithmiques (102 vaut 100 fois 100). On voit que les AHE présentent une limite d’élasticité et une ténacité bien plus élevées que celles des autres matériaux techniques bien connus.
Geir Moe est l’ingénieur chargé de coordonner le service d’information technique du Nickel Institute. Constituée d’experts techniques situés dans le monde entier, son équipe se tient à la disposition des utilisateurs et prescripteurs de matériaux contenant du nickel pour leur apporter gratuitement des conseils techniques sur une vaste gamme d’utilisations de ce métal (aciers inoxydables, alliages de nickel, nickelage, etc.) et leur permettre ainsi de tirer parti de ses nombreux avantages en toute confi ance. https://inquiries.nickelinstitute.org/
LE SAVIEZ-VOUS ?
LES EXPERTS DU NICKEL INSTITUTE RÉPONDENT À VOS QUESTIONS
R Q
Q : Nous installons des panneaux solaires sur le toit d’un immeuble situé à environ 2 km de l’océan. Les supports de montage sont des pièces en aluminium fi xées les unes aux autres par un boulon central en acier inoxydable de nuance 304 (UNS 30 400), et ce sans rondelle (si bien que l’inox porte directement sur l’aluminium). Faut-il se soucier d’une réaction entre les métaux dissimilaires que sont l’aluminium et l’acier inoxydable ?
R : Avec les alliages d’aluminium exposés à ce type d’atmosphère, il est recommandé d’employer des éléments de fi xation en acier inoxydable pour éviter la corrosion galvanique de ces derniers. L’alliage d’aluminium apporte une protection galvanique à l’acier inoxydable, mais seulement à leur jonction et lorsqu’ils sont tous deux humides.
NICKEL EN LIGNE
WWW.NICKELINSTITUTE.ORG
ABONNEZ-VOUS pour recevoir gratuitement un exemplaire imprimé de la revue Nickel en anglais ou un avis par courriel dès la parution d’un nouveau numéro. www.nickelinstitute.org
LISEZ la revue Nickel (disponible en ligne en plusieurs langues). www.nickelinstitute.org/library/
CONSULTEZ LES ANCIENS NUMÉROS de la revue Nickel dans nos archives en ligne, qui remontent jusqu’à juillet 2009. www.nickelinstitute.org/library/ SUIVEZ-NOUS sur X : @NickelInstitute
JOIGNEZ-VOUS À NOUS sur LinkedIn, en visitant la page du Nickel Institute.
VISIONNEZ les vidéos de la chaîne YouTube du Nickel Institute : www.youtube.com/user/NickelInstitute
Il est également important de sélectionner des alliages d’aluminium et des aciers inoxydables qui soient intrinsèquement résistants à l’atmosphère. À 2 km de l’océan, le sel (chlorure de sodium) qui se dépose et se combine à l’eau de pluie ou de condensation peut entraîner la corrosion par piqûre ou par crevasse de certains alliages. Cela dépend de la quantité de sel qui s’accumule à cette distance de la côte, ainsi que d’autres variables comme la température, la force et la direction du vent dominant, la fréquence des précipitations, l’humidité ambiante, etc.
CORROSION GALVANIQUE
GÉNÉRALISÉE
Électrolyte
Cathode
Faible
Courant
Anode
En principe, les alliages Al-Mg (série 5000) ou Al-Mg-Si (série 6000) donnent les meilleurs résultats en atmosphère maritime. Dans ce type d’atmosphère, l’acier inoxydable 304 est vulnérable à la corrosion et le 316 (S31600) est un meilleur choix.
Pour ce qui concerne la corrosion galvanique, tous les aciers inoxydables ont un potentiel électrochimique similaire et il n’y a guère de différence entre le 304 et le 316. Les principaux facteurs de la corrosion galvanique sont le rapport de surface des deux métaux et le rendement cathodique du métal le plus noble (positif). Pour la corrosion atmosphérique, le rapport de surface est essentiellement de 1:1, tandis que les aciers inoxydables n’ont guère de rendement cathodique en atmosphère humide. C’est pourquoi l’acier inoxydable convient pour les éléments de fi xation des pièces en alliages d’aluminium.
Si vous décidez de vous en tenir au 304, une inspection annuelle des éléments de fi xation suffi ra à détecter la présence et l’étendue d’une éventuelle corrosion. Si elle devient trop forte, il faudra remplacer les éléments de fi xation concernés.
Le nickel se décline sous de nombreuses formes, depuis les nanofils jusqu’aux aciers inoxydables. Mais quelles propriétés en font un élément essentiel dans tant d’objets du quotidien ?
Pourquoi le nickel ?
LE
NICKEL DANS LES CHROMAGES
Le nickelage peut passer pour une fantaisie, mais c’est surtout un excellent moyen de faire durer les objets du quotidien dans tout leur charme et leur éclat.
Alors à quoi ça sert ? Le nickel rend les objets robustes, qu’il s’agisse de petits appareils, des deux-roues ou de pièces automobiles. Il protège leurs surfaces de la rouille tout en leur donnant un aspect solide, lisse et brillant. C’est donc une armure du meilleur eff et !
Que nickelle-t-on ? Toutes sortes de choses ! C’est au nickelage qu’on doit le fi ni rutilant des deux-roues et des voitures, voire des robinets et des pommes de douche. Il s’agit en général d’une couche de nickel recouverte d’une fi ne couche d’un autre métal comme le chrome ou même l’or.
Codes UNS
Et puis il y a l’électroformage, qui sert à reproduire certains objets à la perfection. Cela peut être très utile quand quelque chose doit avoir exactement la bonne forme et la bonne taille. Grâce au nickel, les choses fonctionnent mieux et durent plus longtemps !
Composition chimique des alliages et aciers inoxydables mentionnés dans ce numéro de Nickel (en pourcentage massique).
LES ÉLÉPHANTS DE L’AÉROPORT SUVARNABHUMI
Installée en novembre 2019, cette paire d’éléphants en tressage d’acier inoxydable est la seule œuvre de ce type dans le monde.
Matériau : tôle d’acier 304-2B de 1,2 mm d’épaisseur
Constructeur : Sculptures d’éléphant :
Vision In Forms Co., Ltd.
Socle : Thapanin Co., Ltd.
Artiste : Somsak Kongnaphakdee,
Vision In Forms Co., Ltd.
Symbole à la fois du patrimoine et de la modernité du peuple thaï, deux étincelantes sculptures d’éléphant en acier inoxydable agrémentent l’aéroport Suvarnabhumi de Bangkok, une plaque tournante internationale bruissante d’énergie. C’est Somsak Kongnaphakdee, un artiste thaï renommé, qui a conçu et dessiné cette œuvre grandeur nature. Façonnées par Vision in Forms, les deux structures se dressent sur un socle construit par Thapanin. Elles sont constituées d’un tressage de bandes d’acier inoxydable laminé à froid de nuance 304-2B (UNS S30400) et de 1,2 mm d’épaisseur. Le choix de cette méthode vise à témoigner de l’originalité de l’artisanat thaï.
L’acier inoxydable a été choisi comme principal matériau tant pour son attrait esthétique que pour sa résilience, qui le rendent idéal pour les grandes œuvres d’art public. Le fi ni de surface fi nement poli apporte une touche de modernité, tandis que le sujet évoque le rôle traditionnel des éléphants dans la société thaïe, où ils symbolisent la force, la protection et la royauté. Le plus gros des éléphants d’acier inoxydable fait trois mètres de haut et pèse environ cinq tonnes. L’élégance et le lustre chatoyant des deux sculptures
embellissent l’aéroport et suscitent l’admiration des visiteurs venus du monde entier.
Plus que de simples éléments décoratifs d’aéroport, ils sont désormais de véritables emblèmes invitant les voyageurs à marquer une pause pour réfléchir et apprécier le talent artistique élaboré et la profondeur culturelle de la Thaïlande. Mis à l’honneur au terminal satellite 1, ils s’inscrivent dans un effort plus large visant à intégrer l’art dans les espaces publics.
