NICKEL, VOL. 38, Nº 3. 2023

MAGAZINE

NICKEL

L A RE V UE SPÉCI A LISÉE DU NICK EL E T DE SES A PPLIC ATIONS NICKEL, VOL. 38, Nº 3. 2023

Le nickel mène la charge Nickel et batteries rechargeables pour l’aviation

Parlons batteries avec Stanley Whittingham

Nickel pur de qualité commerciale : une résistance hors pair à la corrosion

MODJESKI AND MASTERS

ÉTUDE DE CAS 29 PONT COMMÉMORATIF IOWA-ILLINOIS

ISSDA

Voici l’un des plus gros investissements jamais réalisés par les États américains de l’Iowa et de l’Illinois. Priorités essentielles des réalisateurs de cet ouvrage d’un milliard de dollars US : construire un pont conçu pour durer 100 ans tout en créant un monument emblématique propre à transformer et embellir le paysage des Quad Cities, les municipalités riveraines de part et d’autre du Mississippi.

Les arcs combinent des éléments en acier au nickel de nuances ASTM A709 HPS7OW et ASTM A709 HPS50W revêtus d’un fluoropolymère. Les ancrages et écrous d’accouplement sont en acier inoxydable duplex de nuance 2507 (UNS S32750) offrant une limite d’élasticité de 800 MPa pour réduire les besoins d’entretien et prolonger la durée de vie des arcs. Le platelage est en acier patinable nu. Les barres d’armature du tablier sont également en acier inoxydable.

NICKEL, VOL. VOL. 38, 38, Nº Nº 3.

3. 2023 2023 22 || NICKEL,

Les ponts jumelés d’origine ne suffisaient plus à prendre efficacement en charge le trafic routier sans cesse croissant de cette région bruissante d’activité. Le premier avait été construit dans les années 1930 avant d’être doublé en 1959. Il n’y avait pas d’accotements, et les largeurs de voie ne répondaient plus aux normes actuelles. Les départements des Transports de l’Iowa et de l’Illinois ont collaboré avec les sociétés d’ingénierie et conception d’infrastructures Alfred Benesch and Company et Modjeski and Masters pour créer un authentique pont d’acier en arc à « anse de panier » avec un minimum de contreventements.

Le maître d’œuvre, Lunda, a ouvert le chantier en 2017 et le pont a été inauguré fin 2021. L’impératif de maintenir la circulation entre les deux États a imposé un séquencement complexe et des méthodes de constructions inédites. Pour faciliter la construction

des nouveaux ponts jumeaux, Lunda a mis en place entre eux deux des plus hautes grues autoportantes jamais utilisées pour ce type d’ouvrage dans le Midwest (près de 122 m).

La construction des arcs de pont à anse de panier culminant à près de 75 m a nécessité des matériaux de haute qualité et des technologies émergentes. Pour les assembler, le constructeur métallique ISC (Industrial Steel Construction) a créé 30 profilés caissons en acier soudé pour chacune des deux travées à son usine de Gary, dans l’Indiana. Les profilés de l’arc ont été chargés sur des barges, elles-mêmes chargées sur des camions pour être livrées au site du pont. Les deux travées intègrent au total plus de 35 tonnes d’acier de construction.

Cette réalisation transformatrice a remporté les plus hautes distinctions aux America’s Transportation Awards.

ÉDITORIAL LE NICKEL MÈNE LA CHARGE Selon l’adage attribué à Victor Hugo, « rien n’est plus puissant qu’une idée dont l’heure est venue ». Et la technologie des batteries, vu son rôle dans la transition vers un avenir électrique, est une telle idée. C’est ainsi que Parvin Adeli, l’expert en batteries du Nickel Institute, a ouvert la Journée batteries (Battery Day) de juillet 2023 (pour en savoir plus, voir l’article en page 5).

La Journée batteries (Battery Day) est un excellent moyen de recueillir les toutes dernières informations sur les batteries au nickel. C’est également la source d’inspiration de ce numéro de Nickel. Ces batteries déterminent l’avenir du stockage

JOHN B. GOODENOUGH

AKIRA YOSHINO

d’énergie et des transports, et mènent la charge vers un monde plus écologique et plus connecté.

Les couples électrochimiques à base de nickel représentent près des deux tiers de la capacité des batteries utilisées ILLUSTRATION D’EVIATION

dans les véhicules électriques actuels, et il y a sans cesse

STANLEY WHITTINGHAM

de nouvelles applications en développement pour le secteur des transports. Les possibilités sont infinies, même dans le ciel : comptant pour environ 12 % des émissions liées aux transports, l’aviation est sous les projecteurs. Les aéronefs électriques pourraient-ils aussi se banaliser dans l’avenir ? Ce numéro examine le chemin

John Goodenough, Akira Yoshino et Stanley Whittingham ont remporté le prix Nobel de chimie 2019 pour leur travail dans la mise au point des batteries lithium-ion.

parcouru et les défis à surmonter sur la voie de l’aviation électrique.

Stanley Whittingham, prix Nobel de chimie 2019, nous parle de sa propre exploration des batteries depuis les années 1970 et des percées qui ont conduit à la mise au point des batteries lithium-ion. C’est sur son travail et celui de ses colauréats, John Goodenough et Akira Yoshino, que repose l’essentiel de la technologie des batteries usuelles d’aujourd’hui.

Et la rubrique explicative Pourquoi le nickel ? porte, on l’aura deviné, sur les batteries.

En marge du thème dominant de ce numéro, rien ne vaut un clin d’œil à d’autres usages des matériaux au nickel. On dévoile en dernière page le superbe Salmon Eye (Œil de saumon), un projet servant de source d’information et d’inspiration sur les possibilités qu’offre l’aquaculture dans l’alimentation durable.

Une autre idée dont l’heure est venue.

Clare Richardson Rédactrice en chef

NICKEL, VOL. 38, Nº 3. 2023 | 3

02

Étude de cas 29 Pont commémoratif Iowa-Illinois

03

Éditorial Le nickel mène la charge

04

En bref

06

Aviation électrique

NICKEL

E N B R E F

SOMMAIRE

Bientôt le décollage ?

09

Batteries solides pour véhicules électriques

10

Parlons batteries Un entretien avec Stanley Whittingham

13

Nickel et alliages Le nickel pur de qualité commerciale

Coup de pouce aux piles à hydrogène Voici un grand pas vers des piles à combustible à hydrogène plus propres, plus

14

Le saviez-vous ?

15

Pourquoi le nickel ?

15

Codes UNS

16

Salmon Eye (Œil de saumon)

dégrade le rendement de la pile. Lʼéquipe sʼest attaquée au problème en enrichis-

Un pavillon flottant

sant les sites du nickel en électrons et en dopant au chrome un puissant catalyseur

performantes et plus économiques. Une équipe de recherche de lʼUniversité de sciences et technologies de Chine a mis au point un catalyseur anodique au nickel très résistant à lʼempoisonnement par lʼammoniac (NH3) qui améliore ainsi les piles à combustible à membrane échangeuse dʼanions. Les catalyseurs platine sur carbone (Pt/C) subissent facilement un empoisonnement par lʼammoniac qui

de lʼoxydation de lʼhydrogène, lʼalliage molybdène-nickel (MoNi4), affaiblissant La revue Nickel est publiée par le Nickel Institute. www.nickelinstitute.org

ainsi grandement lʼadsorption dʼammoniac. Les résultats sont parus dans le Journal of the American Chemical Society.

Collaborateurs : Parvin Adeli, Gary Coates, Richard Matheson, Colin Mackay, Geir Moe, Kim Oakes, Odette Ziezold Conception : Constructive Communications Les articles sont destinés à l’information générale du lecteur et celui-ci ne doit pas s’y fier 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©Just_Super (couverture), Shutterstock©Lakeview Images (page 13).

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JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY (2023). DOI: 10.1021/JACS.3C06903

Président : Hudson Bates Rédactrice en chef : Clare Richardson communications@nickelinstitute.org

Une découverte en or Des physiciens de l’Université technique de Vienne ont découvert dans les UNSPLASH+

alliages nickel-or d’excellentes propriétés thermoélectriques offrant un moyen efficace de convertir la chaleur en électricité. Surclassant les semiconducteurs traditionnels, ces alliages conjuguent haute conductivité et fort coefficient de

voulu pour produire une forte tension thermoélectrique. Comme l’explique

Une bonne dose de vitamine C

Fabian Garmroudi, premier auteur de l’étude, « avec la même géométrie et le

Ce qui est bon pour la santé humaine

Seebeck. En ajoutant du nickel, un métal magnétique, à de l’or, un métal noble, on obtient un alliage aux propriétés électroniques tout à fait différentes. Dès que la teneur en nickel de l’alliage atteint environ 10 %, la couleur jaune de l’or s’efface et le rendement thermoélectrique s’accroît rapidement. En raison des propriétés électroniques des atomes de nickel, les charges positives se dispersent davantage que les charges négatives, créant ainsi le déséquilibre

même gradient thermique fixe, on pourrait générer plusieurs fois plus d’élec-

sʼavère aussi utile pour le recyclage

tricité que dans tout autre matériau connu ». Cette haute densité de puissance

des batteries de véhicules électriques.

pourrait ouvrir la voie à nombre d’usages à grande échelle améliorant le

Des chercheurs de lʼUniversité de

quotidien et à la création d’autres alliages thermoélectriques économiques et performants.

Birmingham ont mis au point un procédé utilisant de lʼacide ascorbique pour séparer les métaux à forte valeur.

Pour tester le concept, des cellules de batterie de Nissan Leaf ayant parcouru au moins 40 000 miles (64 373 km) ont été lixiviées au moyen dʼacides organiques tels que lʼacide ascorbique (vitamine C). Les résultats, publiés sur ChemRxiv, montrent que lʼacide ascorbique lixivie sélectivement le matériau dʼélectrode de faible valeur (lithium-oxyde de manganèse) et laisse le matériau de valeur plus élevée (au nickel et au cobalt) dans un état solide directement recyclable. Ce

THE DAILY SCIENCE

procédé désormais breveté utilise moins dʼénergie et de produits chimiques dangereux que les méthodes de recyclage usuelles.

Journée batteries 2023 En juillet 2023, le Nickel Institute a réuni quelques esprits des plus brillants dans le monde des batteries pour qu’ils échangent leurs idées et leurs savoirfaire techniques concernant les batteries au nickel. Huit conférenciers experts, dont Stanley Whittingham, prix Nobel de chimie 2019, et Jeff Dahn, titulaire de chaire de recherche industrielle CRSNG-Tesla Canada à l’Université Dalhousie, ont exploré les différents types de batteries au nickel, discuté des utilisations émergentes et examiné le rôle du recyclage. Le rapport de synthèse de cette Journée batteries (Battery Day) est disponible en anglais sur le site du Nickel Institute. www.nickelinstitute.org

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AVIATION ÉLECTRIQUE : BIENTÔT LE DÉCOLLAGE ?

Dans le combat mené pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, le secteur des transports recherche et met en œuvre des solutions de rechange pour presque tous les types de véhicules à combustibles fossiles. La propulsion électrique y joue un rôle majeur, en particulier dans le transport routier. Jusqu’ici, l’aviation a davantage résisté à cette évolution. Pourtant, elle compte déjà pour environ 12 % des émissions liées aux transports.

Depuis la fin de la pandémie, la demande de transport aérien est de nouveau en plein essor, tant pour le fret que pour les passagers. Sans mesures d’atténuation, ces émissions devraient augmenter. C’est pourquoi l’aviation est de plus en plus poussée à réduire son impact environnemental en adoptant d’autres sources d’énergie.

Une refonte radicale s’impose

leur poids ne diminue pas à mesure

Jusqu’ici, le secteur a préféré explorer

que l’énergie est consommée. Pourtant,

le potentiel d’options comme l’hydro-

il s’agit là d’une vue assez trompeuse,

gène ou les carburants d’aviation

car la propulsion électrique peut faire

durables. Dans une certaine mesure,

économiser du poids dans bien d’autres

cela reflète l’inertie existante du

aspects de l’aviation.

marché : le secteur du transport aérien est bien établi, et les constructeurs d’aéronefs produisent des cellules compatibles avec les moteurs à combustibles fossiles tandis que les fabricants PIPISTREL

de moteurs produisent des moteurs compatibles avec les cellules actuelles.

Un passage à la propulsion électrique nécessiterait une refonte radicale des Le Pipistrel Velis Electro, premier aéronef tout électrique au monde à être certifié, marque une étape importante sur la voie de l’aviation durable.

— Agence de l’Union européenne pour la sécurité aérienne

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cellules aéronautiques civiles, et donc beaucoup de temps et d’argent.

Validation de principe Il ne fait plus aucun doute que la propulsion électrique a sa place dans lʻaviation. En effet, dans l’aviation légère, la propulsion électrique est déjà une réalité, comme en témoigne le Pipistrel Velis Electro, un biplace monomoteur certifié en Europe depuis 2020. Presque indiscernable d’un avion léger traditionnel, ses deux batteries à haut rendement lui

À cela s’ajoute l’idée que la densité

confèrent une autonomie allant jusqu’à

énergétique des batteries ne suffit pas

50 minutes (et il peut voler sur une

à compenser leur poids. Cela semble

seule batterie en cas de panne). Même

d’autant plus insurmontable qu’à la

si la certification du premier aéronef

différence des carburants d’aviation,

vraiment électrique ne suffit pas à elle

seule à changer la donne, elle constitue

pour obtenir une énergie massique

une validation de principe importante.

élevée. Dans ces batteries, le nickel est

Elle fait passer l’aviation alimentée par

habituellement combiné à du cobalt et

batterie dans l’ordre du réel incontes-

à du manganèse (batteries NCM) ou de

table, et cela impulse de nouvelles

l’aluminium (batteries NCA). Quand

avancées.

ces métaux sont répartis dans toute

d’accroître la densité énergétique des batteries, et donc l’autonomie et les performances des appareils. C’est là que le nickel devrait jouer un rôle de plus en plus important. À l’heure actuelle, le nickel a nombre d’usages dans les aéronefs traditionnels, en particulier dans les turbines des réacteurs, où les superalliages confèrent une stabilité thermique et une résistance au fluage et à la corrosion exceptionnelles. Dans l’aviation à venir, le nickel devra son rôle dominant à sa capacité d’accroître la densité énergétique des batteries.

la couche de métal de transition, leur effet conjoint améliore le rendement.

Les constructeurs ont constaté que l’accroissement de la teneur en nickel augmentait la capacité de stockage d’une batterie sans trop l’alourdir, améliorant ainsi la densité d’énergie globale. Alors que l’alimentation par batteries des aéronefs s’avère déjà viable, cette avancée apporte un gain important.

La sécurité des batteries dans l’aviation est une autre question fondamentale.

Les débuts du Boeing 787 Dreamliner, pourtant un avion à propulsion classique, ont été marqués par des

Un gain considérable

incendies résultant d’un emballement

Presque toutes les batteries des aéronefs

thermique dans les batteries au lithium

électriques déjà en service ou en déve-

de l’alimentation électrique de bord.

loppement utilisent des couples élec-

Ce problème déjà très grave au sol l’est

trochimiques à forte teneur en nickel

bien plus encore en vol. L’industrie

Caractéristiques du Joby JAS4-1 Type : eADAV à rotors basculants Places : pilote + 4 passagers Masse maximale au décollage : 2 177 kg Longueur : 6,40 m Envergure : 11,89 m Altitude maximale de croisière : 4 570 m Vitesse maximale de croisière : 315 km/h Autonomie : jusqu’à 240 km Propulsion : six moteurs électriques (quatre sur les ailes et deux sur l’empennage en V) intégrant convertisseurs à double redondance, variateur de propulsion, basculeur et refroidisseur de nacelle, et double bobinage Alimentation : quatre batteries lithium-ion – jobyaviation.com

© JOBY AVIATION

Dans l’idéal, la prochaine étape serait

Dans l’avenir, le nickel devra son rôle dominant à sa capacité d’accroître la densité énergétique des batteries.

NICKEL, VOL. 38, Nº 3. 2023 | 7

d’autres cadres. Comptant moins de pièces mobiles et offrant une puissance massique relativement constante indépendamment de leur taille, les moteurs électriques sont plus légers, plus silencieux et plus fiables. Il devient alors possible de réduire la taille des propulseurs au profit de leur nombre et de les intégrer à la cellule avec beau© MAEVE AEROSPACE B.V., 2023

coup moins de contraintes d’emplacement. Cela signifie que les aéronefs électriques à décollage et atterrissage verticaux (eADAV) sont en train de passer dans l’ordre du réel. Leurs moteurs presque silencieux ouvrent en a pris acte, si bien que les batteries

la voie à tout un éventail d’emplois

certifiées pour l’usage aéronautique

possibles, notamment pour les taxis

doivent faire preuve de leur résistance

aériens, les services de livraison et les

à l’emballement thermique. Si un tel événement se produit, le feu est

En plus des acteurs existants comme

confiné et ne se propage pas aux

Airbus et Boeing, nombre de jeunes

autres batteries, et encore moins au

entreprises visent ce marché, comme

reste de l’appareil. De plus, tous les

en témoignent les appareils de Maeve

risques doivent être mis en balance

(44 à 50 passagers) et d’Eviation (neuf

avec ceux posés par le transport de

passagers), qui ambitionnent d’assurer

grands volumes de carburant d’aviation

des liaisons régionales de 460 à 610 km.

hautement inflammable.

Ces aéronefs utiliseront respectivement

Plus légers, silencieux et fiables Pour estimer le marché potentiel des batteries d’aviation et du nickel qu’elles intègrent, il est important de ne pas se limiter au prisme des appareils existants. La conception des avions de ligne Tout premier aéronef électrique à plus de 44 places, le Maeve 01 établit une nouvelle référence pour les voyages aériens écologiques et durables. Avec un temps de recharge d’à peine 35 minutes, l’avion électrique de Maeve accélère et simplifie les opérations aériennes.

– Maeve Aerospace B.V.

classiques est grandement restreinte par l’impératif habituel d’intégrer deux propulseurs de plus en plus lourds, volumineux et bruyants, qui oblige à son tour à disposer d’imposantes infrastructures aéroportuaires. Malgré cela, l’emploi de ces propulseurs n’est pas près de décliner, les systèmes électriques n’étant pas encore prêts à les remplacer.

Cependant, ils ont déjà leur place dans

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services d’urgence.

30 tonnes et 9 tonnes de nickel environ sur leur durée de vie. Par ailleurs, les constructeurs américains Joby Aviation et Archer Aviation, ainsi que l’allemand Lilium, sont en train de mettre au point des taxis aériens, dans le sillage de Pipistrel, le fabricant du Velis Electro.

Le potentiel du marché des accumulateurs de propulsion aéronautique dépend d’un éventail de variables, et au premier chef du nombre d’appareils et de batteries. Cependant, face à l’urgence de plus en plus pressante de réaliser les objectifs de réduction des émissions, et devant l’essor de la demande de transport aérien, les perspectives du nickel s’annoncent prometteuses.

LA COURSE AUX BATTERIES SOLIDES POUR VÉHICULES ÉLECTRIQUES Les batteries à électrolyte solide, avec leurs cathodes à forte teneur en nickel, ont beaucoup capté l’attention ces dernières années et continuent de susciter un intérêt croissant. Ce qui distingue les batteries tout solide des batteries lithium-ion classiques, c’est surtout l’absence d’électrolyte liquide. Leur principal atout est la sécurité que confère l’abandon de ces liquides organiques inflammables. De plus, la batterie solide offre une densité d’énergie plus élevée en permettant l’emploi d’une anode en lithium métallique, dont l’énergie massique est dix fois supérieure à celle de l’anode en graphite des batteries lithium-ion.

Le choix du matériau d’électrode a un

étapes de production onéreuses comme

effet direct sur la densité d’énergie des

le remplissage d’électrolyte.

lithium-ion classique intègre le plus souvent une cathode en oxydes de métaux lithiés, un électrolyte liquide organique et une anode en graphite.

Cependant, le matériau d’anode offrant la meilleure densité d’énergie théorique est le lithium métallique. En effet, il a l’avantage d’être léger et d’avoir le plus faible potentiel d’électrode de tous les éléments, ce qui permet de stocker plus d’énergie.

Le lithium métallique étant très réactif, son intégration à une cellule à électrolyte liquide poserait de graves problèmes de sécurité. Contrairement aux batteries lithium-ion, les batteries tout solide permettent d’intégrer du

Dans les deux types de batteries, la cathode se compose d’un matériau cathodique actif additionné d’un agent conducteur (par exemple à KIYOSHI OTA/BLOOMBERG © BLOOMBERG FINANCE LP, 2023

batteries automobiles. Une batterie

Nombres d’entreprises sont en lice pour intégrer une batterie solide aux véhicules électriques et ont déjà fait d’ardentes déclarations. Plusieurs constructeurs automobiles, dont Toyota, Nio, General Motors (GM), Nissan, Ford et BMW, souhaitent passer aux électrolytes solides et travaillent en ce sens avec des fabricants de batteries.

base de carbone) et parfois d’un liant (polymère). Ainsi, dans une batterie solide, l’intégration d’une anode en lithium métallique et d’une cathode à forte teneur en nickel offre à la fois des capacités élevées et de grands avantages pratiques. Les cathodes à forte teneur en nickel renforcent beaucoup la capacité des batteries solides. Et le gain de sécurité permet même d’y intégrer des cathodes à très forte teneur en nickel leur conférant une densité d’énergie encore plus élevée.

lithium métallique en remplaçant l’élec-

Les avantages des batteries solides sus-

trolyte liquide (et le séparateur) par

citent de l’enthousiasme, mais il reste

une couche solide. Cette couche rigide

des défis techniques à surmonter. Les

limite les fuites et réduit la formation

véhicules électriques à batteries solides

de structures indésirables. En outre, les

ont du chemin à parcourir avant de

électrolytes solides ont une plus grande

pouvoir être largement adoptés, mais

stabilité thermique que les électrolytes

ils ont tout ce qu’il faut pour réussir. Les

liquides. Les batteries tout solide

batteries solides à forte teneur en nickel

offrent ainsi un plus large éventail

ont le potentiel d’éliminer l’angoisse de

d’utilisations et une meilleure sécurité.

l’autonomie et de faciliter le passage aux

Elles ont aussi l’avantage d’éliminer des

véhicules électriques.

Un prototype des batteries de véhicule électrique à venir chez Toyota, dévoilé lors d’un rendez-vous médiatique précédant le Japan Mobility Show d’octobre 2023.

NICKEL, VOL. 38, Nº 3. 2023 | 9

PARLONS BATTERIES — UN ENTRETIEN AVEC STANLEY WHITTINGHAM

Stanley Whittingham, professeur distingué de chimie à l’Université d’État de New York, a remporté le prix Nobel de chimie 2019 pour ses recherches d’avant-garde ayant mené à la création de s batte rie s lithium-ion. Parvin Ade li, spécialiste de s batte rie s au Nicke l Institute , s’est entretenu avec lui de sa longue carrière dans la recherche sur les batteries et des

SEBASTIAN GOLLNOW, AP IMAGES

prochaines étapes.

Q : Parlez-nous de votre parcours dans la

(s’intercaler) des ions lithium. Exxon

recherche sur les batteries. Qu’est-ce qui

a fabriqué de petites cellules pour

vous a poussé à vous engager dans cette

quelques applications. Mais quand leur

carrière et à persévérer ?

prix a baissé, Exxon a décroché de ce

Dans les années 1970, on s’intéressait aux véhicules électriques, aux gadgets électroniques, au stockage de secours (notamment en téléphonie), mais pas au stockage pour les grands réseaux électriques. À l’époque, je travaillais pour Exxon, qui voulait être l’entreprise de l’énergie plutôt que celle du pétrole. Elle voulait explorer la voie des véhicules électriques tout en poursuiStanley Whittingham, prix Nobel de chimie 2019, est l’auteur de plus de 200 articles publiés dans des revues scientifiques de premier plan et le titulaire de 16 brevets, Il s’est taillé une renommée de chercheur prolifique à l’échelle mondiale.

vant celle des moteurs à combustion interne.

secteur et a fini par accorder la licence d’exploitation à Sony. Sony a alors mis au point la pile rechargeable lithiumion pour tous les gadgets électroniques. À présent, la plupart des systèmes intègrent 80 % de nickel, 10 % de manganèse et 10 % de cobalt.

Q : Pensez-vous que le prix Nobel était plutôt tardif ? Ça a prêté à commentaires.

John Goodenough était la personne la plus âgée de tous les récipiendaires

Q : Quand vous êtes-vous rendu compte de

d’un prix Nobel. Nous étions heureux

l’importance pour le paysage énergétique

qu’il ait vécu assez longtemps pour

de votre découverte de l’intercalation (ou

l’accepter.

insertion) d’ions lithium dans un matériau hôte ?

Très tôt. Parce que notre premier article a été publié dans Science et qu’il n’est pas facile d’y paraître. Nous

10 | NICKEL, VOL. 38, Nº 3. 2023

Q : Quels ont été les principaux défis à surmonter dans la mise au point de la batterie lithium-ion ?

Le plus grand défi, c’est que nous avons

travaillions alors sur le disulfure de

fait toutes les inventions. Toute la

titane qui, au niveau moléculaire, pré-

propriété intellectuelle est américaine

sente des espaces où peuvent s’insérer

ou britannique, mais tout est parti

vers l’Asie parce que les Européens et les Américains ne voulaient pas investir dans l’acquisition des savoirfaire industriels. L’énorme problème maintenant, c’est que nous n’avons pas de chaîne d’approvisionnement aux États-Unis pour les matériaux, les personnes formées ou les unités de fabrication.

Q : Quelles sont les prochaines étapes de cette recherche ?

La prochaine étape consiste à étudier le comportement à différentes températures et à voir si nous pouvons aller jusqu’à 800 à 1000 cycles. Cela se traduit par la fabrication de plus grosses cellules pour les véhicules électriques.

La densité d’énergie théoriquement pos-

Nous venons de recevoir 113 millions

sible avec les cathodes à forte teneur en

de dollars US du gouvernement fédéral

nickel est de 1000 Wh/kg. En pratique,

pour que l’université d’État de New York

la cellule donne 250 Wh/kg, soit seu-

construise une unité de prototypage

lement 25 %. L’objectif est d’atteindre

dans un ancien bâtiment d’IBM, et

500 Wh/kg pour doubler la densité

12 millions de dollars pour former le

d’énergie. Nous menons aussi une

personnel. C’est ce qui manque en

recherche financée par l’US Army pour

Amérique du Nord.

voir comment l’alliage NMC revêtu de niobium se comporte à hautes et basses

Q : Vous travaillez actuellement sur l’effet

températures.

niobium dans les matériaux cathodiques

Q : Avez-vous l’infrastructure qu’il faut

riches en nickel. De quelle manière l’ajout

pour réaliser cela à Binghamton ?

de niobium modifie -t-il le re nde me nt global

Nous avons l’une des rares unités de

des batteries ?

fabrication de cellules poches en salles

Nous savons que l’alliage à 60 % de nickel

sèches situées aux États-Unis dans une

est stable à l’air et fonctionne bien.

université.

Cependant, une fois que la teneur en

Comme je travaille dans le cadre de

nickel atteint 80 %, la stabilité à l’air est

Battery 500, un grand consortium de

compromise. Cela veut dire qu’il nous

laboratoires nationaux et d’établisse-

faut maîtriser davantage l’atmosphère

ments universitaires, nous collaborons

à mesure que la réactivité avec l’élec-

étroitement avec eux. Nous allons

trolyte de la batterie s’accroît, car nous

opérer un changement d’échelle.

EVIATION

du revêtement et de la substitution par du

perdons assez vite en capacité. Nous avons commencé à stabiliser l’alliage

Q : Nous avons parlé des cathodes, mais

à 80 % de nickel par l’ajout d’éléments

on sait que les électrolytes sont également

de valence. Nous avons trouvé que le

importants. Pouvez-vous nous parler de

niobium donnait les meilleurs résultats.

vos récentes études sur l’effet des différents

Nous avons obtenu plusieurs centaines

électrolytes sur les cathodes riches en

de cycles pour un alliage à 90 % de

nickel ?

nickel (NMC 9055) avec environ 1 % de

L’un de nos objectifs dans le cadre de

niobium. Il ne nous en faut pas plus.

Battery 500 consiste à se défaire de

Il semble que le niobium stoppe le

l’anode en graphite, que nous rempla-

craquage de ces particules cathodiques,

çons par du lithium métallique pur.

et il n’y a aucune perte de capacité

Ce dernier ne se dépose pas bien avec

sur plusieurs centaines de cycles. Les

l’électrolyte carbonaté actuellement

résultats sont publiés dans notre article

utilisé dans les batteries lithium-ion.

en libre accès de 2022 : Electrochemical

Nous avons mis au point un nouvel

characterization and microstructure evolu-

électrolyte qui se fonde en vérité sur

tion of Ni-rich layered cathode materials by

l’ancien électrolyte d’Exxon. Ce nouvel

niobium coating/substitution.

électrolyte est constitué d’éthers

Eviation, une entreprise située au nord de Seattle, est en train de concevoir un avion conventionnel plutôt qu’un ADAV.

NICKEL, VOL. 38, Nº 3. 2023 | 11

organiques additionnés d’un nouveau sel LiFSI. Avec l’éther, le lithium se dépose beaucoup mieux qu’avec le carbonate. Nous étudions le degré de stabilité de ces systèmes. RéagissentUNIVERSITÉ D’ÉTAT DE NEW YORK À BINGHAMTON

ils avec le lithium ou les alliages à forte teneur en nickel ? Pour le savoir, nous avons entrepris une étude de stabilité thermique. En ce moment,

Q : Deux jeunes entreprises américaines cherchent à opérer un changement d’échelle pour les matériaux cathodiques à très forte teneur en nickel (plus de 90 %).

Qu’en pensez-vous ?

La plupart des batteries commercialisées ces dix dernières années contenaient un tiers de nickel, un tiers de cobalt et un tiers de manganèse, pour passer ensuite à 60 % de nickel. Puis voilà que Tesla

nos principaux objectifs dans le cadre

utilise un alliage NCA à forte teneur en

de Battery 500 consistent à étudier la

nickel sur ses véhicules. C’était à 85 % de

stabilité du système dans sa totalité, à

nickel et ça passe à 90 %. Ces temps-ci on

comprendre les éventuelles réactions

parle de NMCA [nickel-manganèse-

secondaires indésirables et à trouver la

cobalt-oxyde d’aluminium]. L’objectif

manière de les éliminer.

L’étude de stabilité a commencé il y a

est d’augmenter la teneur en nickel. La question est de savoir à quel point elle devient trop élevée.

environ un an et le premier article est paru en 2023 : Enabling Long Cycling with

L’objectif est d’augmenter la teneur en nickel. La question est de savoir à quel point elle devient trop élevée.

Q : Quelle est votre perspective sur les

Excellent Structure Stability for High-Nickel

différentes applications où les batteries

Layered Cathodes in Lithium Metal Batteries.

au nickel contribuent à un avenir durable

Q : Quelle est la marche à suivre pour

Au-delà des véhicules électriques, les

commercialiser les alliages NMC dopés au

batteries de drones. La prochaine étape

niobium ?

logique c’est la recherche, le sauvetage

Je soupçonne que certains acteurs se penchent déjà dessus et ne nous l’ont pas encore dit. Quand ils voudront les commercialiser, ils viendront nous parler en vue d’obtenir une licence

au-delà des véhicules électriques ?

et le transport des victimes en situation d’urgence. Il y a aussi les applications aérospatiales.

Eviation, une entreprise située au nord de Seattle, est en train de concevoir un avion conventionnel,

d’exploitation. Tous les détails figurent

plutôt qu’un ADAV (avion à décollage

dans la publication mentionnée plus tôt

et atterrissage verticaux).

Stanley Whittingham est titulaire d’une licence et d’un doctorat en chimie de l’Université d’Oxford, où il est membre honoraire du New College. Il se consacre activement à la recherche sur les batteries au lithium depuis 1971, année où il a remporté le Prix du jeune auteur de l’Électrochemical Society pour son travail sur la bêta-alumine. En 1972, il est entré chez Exxon et a découvert le rôle de l’intercalation dans les réactions des batteries, ce qui a débouché sur les premières batteries rechargeables au lithium, produites et commercialisées par Exxon. Après 16 ans chez Exxon, il est revenu au monde universitaire en 1988. À l’Université d’État de New York à Binghamton, il a lancé un programme en chimie des matériaux. Prix Nobel de chimie 2019, auteur de plus de 200 articles publiés dans des revues scientifiques de premier plan et titulaire de 16 brevets, Stanley Whittingham s’est taillé une renommée de chercheur prolifique à l’échelle mondiale.

12 | NICKEL, VOL. 38, Nº 3. 2023

LE NICKEL PUR DE QUALITÉ COMMERCIALE Tandis que l’élément nickel sert de base à un large éventail d’alliages, qu’en est-il du nickel tout seul ? Que savons-nous du nickel pur de qualité commerciale ?

Le nickel pur de qualité commerciale

et cristallisoirs pour produits caus-

(à 99,0 % minimum) se décline en deux

tiques, dans les tubes en U des échan-

nuances, le nickel 200 (UNS N02200)

geurs de chaleur et dans les séparateurs

et le nickel 201 (N02201). Le nickel 201

de sels.

a une moindre teneur en carbone,

La soude caustique sert ensuite à de

recommandée pour l’usage à plus de

nombreux procédés industriels impor-

315 °C afin de prévenir la fragilisation

tants comme l’extraction de l’alumine

par formation de graphite.

contenue dans la bauxite pour produire

Le nickel pur de qualité commerciale

de l’aluminium, la transformation du

offre une résistance à la corrosion qui

bois en pâte à papier, la conversion des

s’avère utile dans plusieurs opérations

matières grasses en savon et la fabri-

de transformation chimique. Il se

cation de textiles artificiels tels que la

distingue notamment par sa remar-

viscose.

quable résistance à la soude caustique (hydroxyde de sodium) et aux autres

Le nickel pur de qualité commerciale offre aussi une excellente résistance au

alcalis. Avec la soude caustique, il offre une excellente résistance à toutes les concentrations et même à son état

chlore sec gazeux à haute température.

La limite supérieure pour le nickel 201 est d’environ 540 °C. Le nickel pur de

fondu. À la concentration de 50 %, les vitesses de corrosion sont négligeables, même dans les solutions en ébullition.

Le nickel pur de qualité commerciale

Le nickel pur de qualité commerciale est l’un des meilleurs métaux dont on dispose pour résister à la corrosion caustique tout en évitant une contamination métallique inacceptable.

qualité commerciale s’utilise pour les réacteurs, agitateurs, serpentins et tuyauteries employés dans la plage des 250 à 500 °C pour produire du chlore.

est l’un des meilleurs métaux dont on dispose pour résister à la corrosion

À l’instar de l’élément nickel, qui sert

caustique tout en évitant une contami-

de base à un large éventail d’alliages,

nation métallique inacceptable. Il a de

le nickel pur de qualité commerciale

nombreux usages dans la production de

est aussi un matériau industriel

soude caustique, dans les évaporateurs

important.

Valeurs min. en MPa (ksi) (recuit) Nuance

UNS

Nickel 200

N02200

Nickel 201

N02201

Limite d’élasticité

Résistance à la traction

99,0 min. 0,15 max.

100 (15)

380 (55)

99,0 min. 0,02 max.

80 (12)

345 (50)

% Ni

%C

NICKEL, VOL. 38, Nº 3. 2023 | 13

LE SAVIEZ-VOUS ?

LES EXPERTS DU NICKEL INSTITUTE RÉPONDENT À VOS QUESTIONS

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/

pour un produit pharmaceutique. Le soudage laisse un résidu sur la soudure. Alors je

me demande : Pourquoi faut-il une plus forte teneur en soufre ? Et que peut-on faire pour prévenir la formation d’un résidu lors du soudage ?

R : Le soufre est un élément compli-

garantir une pénétration optimale

qué dans les aciers inoxydables au

de la soudure, en particulier pour

nickel. Dans la plupart des cas, il est

les soudures TIG orbitales, qui

indésirable. Il favorise la fissuration

constituent la méthode préférée dans

axiale des soudures austénitiques.

l’industrie pharmaceutique. Le soufre

Les inclusions de sulfure sont des

favorise un écoulement de masse

sites potentiels de piqûration par

convergent qui favorise à son tour un

les chlorures et peuvent produire

flux de chaleur vers le centre de la

des imperfections de surface aussi

soudure en surface, qui dévie ensuite

inesthétiques qu’indésirables, en par-

vers le bas au centre de la soudure

ticulier quand l’acier inoxydable doit

pour entraîner une pénétration plus

être poli. Par conséquent, les aciéries

profonde de celle-ci.

s’efforcent de réduire le plus possible les teneurs en soufre, jusqu’à 0,001 %,

EN LIGNE

NICKEL

Q R

Q : Un client demande une tuyauterie en 316 L à forte teneur en soufre (0,005 à 0,017 %)

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

voire moins. Cependant, le soufre est un tensioactif qui influence beaucoup l’écoulement du bain de fusion.

sulfures qui remontent à la surface du bain de fusion et s’y accumulent tandis que ce dernier avance. Il résulte de la forte teneur en soufre

La plage de teneur en soufre de 0,005

et la quantité de résidu présente en

à 0,017 % est fi xée par la norme de

fi n de soudure augmente en fonction

l’American Society of Mechanical

du diamètre du tube. Ce résidu est

Engineers relative aux équipements

inévitable, mais s’élimine facilement

de biotransformation, et ce afi n de

par brossage.

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/

Le résidu se compose surtout de

Pénétration de la soudure Métal fondu

Métal de base

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

14 | NICKEL, VOL. 38, Nº 3. 2023

Faible teneur en soufre : faible pénétration

Forte teneur en soufre : forte pénétration

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 PILES ET BATTERIES

Les piles et batteries

Les piles et batteries transforment une énergie chimique en énergie électrique.

Elles alimentent des appareils allant des téléphones mobiles aux voitures en passant par les outils portatifs. Elles se déclinent dans un éventail de formes, de dimensions et de couples électrochimiques selon la taille et les besoins électriques de l’appareil à alimenter. Elles se composent d’une ou plusieurs cellules électrochimiques comprenant chacune deux électrodes (une anode et une cathode) et un électrolyte. Quand les deux électrodes d’extrémité (les bornes) sont raccordées au circuit électrique d’un appareil, un courant d’électrons circule à travers celui-ci de l’anode vers la cathode et l’alimente ainsi en énergie.

Pourquoi le nickel ?

Les piles et batteries lithium-ion constituent le type le plus courant, mais leur composition peut varier. La cathode NMC (oxyde de nickel-manganèse-cobalt) est la plus répandue.

Pendant la décharge, les ions lithium (Li+) migrent de l’anode vers la cathode à travers l’électrolyte. La cathode NMC sert d’hôte à ces ions lithium. Par ailleurs, les ions nickel, manganèse et cobalt de la cathode sont réduits en acceptant les électrons qui traversent le circuit électrique. Cette réaction peut être inversée, ce qui rend la batterie rechargeable.

Anode (-)

Electrolyte Séparateur Cathode (+)

Graphite Lithium-Ion

Électrons

Le secret de la cathode NMC réside dans l’association du nickel et du manganèse.

Le nickel offre une énergie massique élevée, mais manque de stabilité, tandis que le manganèse a une faible énergie massique, mais une plus grande stabilité.

L’association de ces métaux conjugue leurs forces.

Oxydes de métaux lithiés

Codes UNS

Composition chimique des alliages et aciers inoxydables mentionnés dans ce numéro de Nickel (en pourcentage massique).

UNS

C

Cr

Cu

Fe

Mn

Mo

N

Ni

P

S

Si

S31254 p. 16

0,020 max.

19,5 à 20,5

0,50 à 1,00

restant

1,00 max.

6,0 à 6,5

0,18 à 0,22

17,5 à 18,5

0,030 max.

0,010 max.

0,80 max.

S32750 p. 2

0,030 max.

24,0 à 26,0

-

restant

1,20 max.

3,0 à 5,0

0,24 à 0,32

6,0 à 8,0

0,035 max.

0,020 max.

0,80 max.

NICKEL, VOL. 38, Nº 3. 2023 | 15

Voici une étonnante réalisation intégrant 9 275 éléments de bardage en acier inoxydable conçus pour résister longtemps à l’eau de mer. Le Salmon Eye (Œil de saumon), un pavillon fl ottant à quatre ponts haut de 23 m, est consacré au thème de l’aquaculture et a été inauguré en septembre 2022 dans le Hardangerfjord, en Norvège.

Il s’agit non seulement d’une spectaculaire réalisation architecturale, mais aussi d’un centre d’accueil et d’apprentissage de classe mondiale hébergeant l’Iris, un restaurant gastronomique.

@SALMONEYE

SEBASTIAN L. TORJUSEN

LE SALMON EYE (ŒIL DE SAUMON) ALIMENTE LA RÉFLEXION

Une façade bardée d’acier inoxydable au nickel à 6 % de molybdène (UNS S31254).

• Un pavillon flottant hors pair • 2 bateaux-bus électriques pour les visiteurs • 13 ancres • 26 m de diamètre • Panorama de 330° depuis la terrasse de toit

16 NICKEL, | NICKEL,VOL. VOL.38,38,NºNº3.3.2023 2023

Sa charpente, constituée de poutres en H courbées et gainées de tôles d’acier, repose sur une carène intégrant un pont de cale. L’enveloppe extérieure courbe du pavillon est bardée de petits quadrilatères à coins arrondis en acier inoxydable poli miroir imitant des écailles de poisson argentées et reflétant la nature environnante.

Cet ellipsoïde aplati et incliné flotte à la surface d’un fjord profond d’une centaine de mètres, ce qui impose des contraintes particulières pour les structures de l’armature porteuse et de l’enveloppe. Amarré au fond du fjord

par de grandes ancres, ce pavillon flottant de 1 000 tonnes est conçu pour résister à des vagues hautes de 5 m. Des réservoirs de ballast situés au pont de cale stabilisent l’ensemble.

Ce superbe exemple d’architecture durable a été conçu par le cabinet danois Kvorning Design pour la ferme salmonicole et truiticole norvégienne Eide Fjordbruk.

Le projet se veut une source d’information et d’inspiration sur les possibilités qu’offre l’aquaculture dans l’alimentation durable. Voilà de quoi alimenter la réfle xion.