Ecodesign of Li-ion batteries

International audiencePrésentation des avancements de mon travail de thèse au sein du laboratoire G-SCOP, fait à l'occasion du congrès LCM2015 à Bordeuax

Chapter 8. Lifecycle and sustainability

International audienceThe concept of sustainability was developed in order to improve the present human living standards while maintaining the availability of the natural resources for future generations. According to this definition, technological development is a way to improve the sustainability, because it enables to meet human needs by transforming natural resources into useful products. By 2050, the urban world population is expected to approximately double to an estimated 6.4 billion2 and we are aware that the Earth’s natural resources are already limited. In this context, less impacting and more efficient industrial processes’ design represents a real challenge for engineers. From now on, the impacts of new technologies have to be assessed in detail, all along their life cycle, even before their massive industrial deployment.We should be sure that the generated impacts are actually counterbalanced by the improvement of the living standards on Earth. In this chapter, we will consider new technologies related to the development and treatment of lithium batteries. In the first part, we will demonstrate how existing studiesare already taking into account environmental impacts assessment and we will particularly emphasize the main assumptions realized using life cycle assessment (LCA) approaches. In the second part, we will focus on the end-of-life (EOL) of lithium batteries to demonstrate that the entire value chain has to be considered while arbitrating on the acceptability or not of a design decision from an environmental perspective.Les batteries de type lithium connaissent et vont connaitre un essor considérable compte tenu d'une part de leurs bonnes performances et d'autre part d'une demande sans cesse croissante d'énergie notamment pour les applications transports. Cet accroissement entraîne une consommation accrue de matières premières et exige, dès aujourd'hui, de penser « cycle de vie » et « développement durable » afin de préserver et de pérenniser les ressources naturelles. Ce chapitre décrit dans un premier temps la méthodologie de l'« analyse du cycle de vie » appliquée aux batteries au lithium à partir de l'analyse de travaux publiés dans la littérature. En particulier les points clefs de ces études sont soulignés et des améliorations indispensables dans l'application de la méthode sont proposées. Dans un deuxième temps, le chapitre décrit un rapide état de l'art du recyclage et pointe la nécessité d'intégrer et de modéliser tout le cycle de vie des batteries depuis l'extraction des ressource primaires jusqu'à la fin de vie

Product model for ecodesign : application to the Li-ion battery case

Les produits high-tech sont couramment utilisés dans de nombreux secteurs industriels ainsi que dans nos vies de tous les jours. Ils améliorent notre qualité de vie, mais à quel prix ? En effet, la fabrication, l’utilisation et la fin-de-vie de ces produits high-tech génèrent des impacts environnementaux, économiques et sociaux importants. Ces impacts proviennent principalement des matériaux utilisés, de l’énergie consommée pour leur fabrication et pendant leur utilisation et des mauvaises conditions de travail pour l’extraction des matières premières et leur transformation. L’étape de fin-de-vie des produits high-tech contribue également à une grande partie des impacts, car cette phase est souvent négligée lors du processus de conception.Certaines études ont été faites afin de réduire l’impact environnemental des produits, mais ne considèrent qu’une partie des étapes de cycle de vie (par ex. la fabrication) et excluent d’autres étapes comme la fin-de-vie. D’autres études essayent d’intégrer les contraintes de toutes les étapes de cycle de vie mais négligent l’intégration des enjeux environnementaux et ne considèrent que les enjeux classiques de la conception (coûts, qualité, performance, etc.). D’autres études encore visent à intégrer les contraintes de toutes les étapes de cycle de vie et les enjeux environnementaux, mais ne sont pas adaptées à l’évolution rapide des développements dans le cas des produits high-tech (nouvelles technologies, nouveaux matériaux, etc.).Nous proposons donc un outil d’aide à la conception de produits high-tech, qui a pour objectif la prise en compte de toutes les étapes de cycle de vie — et notamment de la fin-de-vie — pour mieux considérer les enjeux environnementaux en plus des enjeux classiques de la conception. Il s’agit d’un modèle-produit agile pour l’écoconception : le MPAE, capable de guider les concepteurs tout au long du processus de conception sur les questions environnementales, malgré les nombreuses alternatives de conception envisagées lors de la conception des produits high-tech.Dans cette thèse, l’outil est appliqué sur un cas théorique de conception avec l’exemple des batteries Li-ion utilisées dans les véhicules électriques. Le modèle développé permet de cibler les paramètres de conception et les acteurs du cycle de vie à l’origine des impacts environnementaux, pour mieux considérer et tenter de les réduire.En résumé, cette thèse réinterroge l’application du concept de modèle produit dans le cas de la prise en compte des impacts environnementaux en conception afin d’aboutir à leur intégration efficace.High-tech products are widely used in many industrial sectors as well as in our everyday lives. They improve our quality of life, but with a high price to pay? The manufacture, use and end-of-life of these products cause strong environmental, economic and social impacts. These impacts are mainly due to the materials and to the energy used for the manufacturing, to their use, but also to bad working conditions to obtain raw materials. The end-of-life stage for high-tech products is a huge source of impacts because not considered during the design.Some researches have been conducted to reduce the environmental impact of high-tech products, but they only consider partially the life cycle stages (eg. The manufacturing phases) and exclude other stages, such as the end-de- life. Further studies are trying to integrate all the life cycle constraints but neglect the integration of environmental issues and they only consider the classical design constraints (cost, quality, performance, etc.). Other studies aimed at integrating the al the life cycle constraints and the environmental issues, but they are not adapted to quick features evolutions during the design process of high-tech product (new technologies, new materials, etc.We therefore propose a tool to guide the design of high-tech products, which aims to integrate all life-cycle stages including the end-of-life and environmental issues in addition to classic design issues. This is an agile product model for eco-design (APME), which considers the rapid evolution of the solutions during the development of high-tech products.In this thesis, the model is theoretically applied in a case study related to Li-ion batteries for electric automotive applications. The developed model is able to highlight the main design parameters and the main actors of the product life cycle which induce high environmental impacts to try to reduce them.This thesis considers the use of the product model concept when taking into account environmental impacts during the design process, for their efficient integration

Proposition d’un modèle produit agile pour l’écoconception : application aux batteries Li-ion

High-tech products are widely used in many industrial sectors as well as in our everyday lives. They improve our quality of life, but with a high price to pay? The manufacture, use and end-of-life of these products cause strong environmental, economic and social impacts. These impacts are mainly due to the materials and to the energy used for the manufacturing, to their use, but also to bad working conditions to obtain raw materials. The end-of-life stage for high-tech products is a huge source of impacts because not considered during the design.Some researches have been conducted to reduce the environmental impact of high-tech products, but they only consider partially the life cycle stages (eg. The manufacturing phases) and exclude other stages, such as the end-de- life. Further studies are trying to integrate all the life cycle constraints but neglect the integration of environmental issues and they only consider the classical design constraints (cost, quality, performance, etc.). Other studies aimed at integrating the al the life cycle constraints and the environmental issues, but they are not adapted to quick features evolutions during the design process of high-tech product (new technologies, new materials, etc.We therefore propose a tool to guide the design of high-tech products, which aims to integrate all life-cycle stages including the end-of-life and environmental issues in addition to classic design issues. This is an agile product model for eco-design (APME), which considers the rapid evolution of the solutions during the development of high-tech products.In this thesis, the model is theoretically applied in a case study related to Li-ion batteries for electric automotive applications. The developed model is able to highlight the main design parameters and the main actors of the product life cycle which induce high environmental impacts to try to reduce them.This thesis considers the use of the product model concept when taking into account environmental impacts during the design process, for their efficient integration.Les produits high-tech sont couramment utilisés dans de nombreux secteurs industriels ainsi que dans nos vies de tous les jours. Ils améliorent notre qualité de vie, mais à quel prix ? En effet, la fabrication, l’utilisation et la fin-de-vie de ces produits high-tech génèrent des impacts environnementaux, économiques et sociaux importants. Ces impacts proviennent principalement des matériaux utilisés, de l’énergie consommée pour leur fabrication et pendant leur utilisation et des mauvaises conditions de travail pour l’extraction des matières premières et leur transformation. L’étape de fin-de-vie des produits high-tech contribue également à une grande partie des impacts, car cette phase est souvent négligée lors du processus de conception.Certaines études ont été faites afin de réduire l’impact environnemental des produits, mais ne considèrent qu’une partie des étapes de cycle de vie (par ex. la fabrication) et excluent d’autres étapes comme la fin-de-vie. D’autres études essayent d’intégrer les contraintes de toutes les étapes de cycle de vie mais négligent l’intégration des enjeux environnementaux et ne considèrent que les enjeux classiques de la conception (coûts, qualité, performance, etc.). D’autres études encore visent à intégrer les contraintes de toutes les étapes de cycle de vie et les enjeux environnementaux, mais ne sont pas adaptées à l’évolution rapide des développements dans le cas des produits high-tech (nouvelles technologies, nouveaux matériaux, etc.).Nous proposons donc un outil d’aide à la conception de produits high-tech, qui a pour objectif la prise en compte de toutes les étapes de cycle de vie — et notamment de la fin-de-vie — pour mieux considérer les enjeux environnementaux en plus des enjeux classiques de la conception. Il s’agit d’un modèle-produit agile pour l’écoconception : le MPAE, capable de guider les concepteurs tout au long du processus de conception sur les questions environnementales, malgré les nombreuses alternatives de conception envisagées lors de la conception des produits high-tech.Dans cette thèse, l’outil est appliqué sur un cas théorique de conception avec l’exemple des batteries Li-ion utilisées dans les véhicules électriques. Le modèle développé permet de cibler les paramètres de conception et les acteurs du cycle de vie à l’origine des impacts environnementaux, pour mieux considérer et tenter de les réduire.En résumé, cette thèse réinterroge l’application du concept de modèle produit dans le cas de la prise en compte des impacts environnementaux en conception afin d’aboutir à leur intégration efficace

Proposition d’un modèle produit agile pour l’écoconception : application aux batteries Li-ion

High-tech products are widely used in many industrial sectors as well as in our everyday lives. They improve our quality of life, but with a high price to pay? The manufacture, use and end-of-life of these products cause strong environmental, economic and social impacts. These impacts are mainly due to the materials and to the energy used for the manufacturing, to their use, but also to bad working conditions to obtain raw materials. The end-of-life stage for high-tech products is a huge source of impacts because not considered during the design.Some researches have been conducted to reduce the environmental impact of high-tech products, but they only consider partially the life cycle stages (eg. The manufacturing phases) and exclude other stages, such as the end-de- life. Further studies are trying to integrate all the life cycle constraints but neglect the integration of environmental issues and they only consider the classical design constraints (cost, quality, performance, etc.). Other studies aimed at integrating the al the life cycle constraints and the environmental issues, but they are not adapted to quick features evolutions during the design process of high-tech product (new technologies, new materials, etc.We therefore propose a tool to guide the design of high-tech products, which aims to integrate all life-cycle stages including the end-of-life and environmental issues in addition to classic design issues. This is an agile product model for eco-design (APME), which considers the rapid evolution of the solutions during the development of high-tech products.In this thesis, the model is theoretically applied in a case study related to Li-ion batteries for electric automotive applications. The developed model is able to highlight the main design parameters and the main actors of the product life cycle which induce high environmental impacts to try to reduce them.This thesis considers the use of the product model concept when taking into account environmental impacts during the design process, for their efficient integration.Les produits high-tech sont couramment utilisés dans de nombreux secteurs industriels ainsi que dans nos vies de tous les jours. Ils améliorent notre qualité de vie, mais à quel prix ? En effet, la fabrication, l’utilisation et la fin-de-vie de ces produits high-tech génèrent des impacts environnementaux, économiques et sociaux importants. Ces impacts proviennent principalement des matériaux utilisés, de l’énergie consommée pour leur fabrication et pendant leur utilisation et des mauvaises conditions de travail pour l’extraction des matières premières et leur transformation. L’étape de fin-de-vie des produits high-tech contribue également à une grande partie des impacts, car cette phase est souvent négligée lors du processus de conception.Certaines études ont été faites afin de réduire l’impact environnemental des produits, mais ne considèrent qu’une partie des étapes de cycle de vie (par ex. la fabrication) et excluent d’autres étapes comme la fin-de-vie. D’autres études essayent d’intégrer les contraintes de toutes les étapes de cycle de vie mais négligent l’intégration des enjeux environnementaux et ne considèrent que les enjeux classiques de la conception (coûts, qualité, performance, etc.). D’autres études encore visent à intégrer les contraintes de toutes les étapes de cycle de vie et les enjeux environnementaux, mais ne sont pas adaptées à l’évolution rapide des développements dans le cas des produits high-tech (nouvelles technologies, nouveaux matériaux, etc.).Nous proposons donc un outil d’aide à la conception de produits high-tech, qui a pour objectif la prise en compte de toutes les étapes de cycle de vie — et notamment de la fin-de-vie — pour mieux considérer les enjeux environnementaux en plus des enjeux classiques de la conception. Il s’agit d’un modèle-produit agile pour l’écoconception : le MPAE, capable de guider les concepteurs tout au long du processus de conception sur les questions environnementales, malgré les nombreuses alternatives de conception envisagées lors de la conception des produits high-tech.Dans cette thèse, l’outil est appliqué sur un cas théorique de conception avec l’exemple des batteries Li-ion utilisées dans les véhicules électriques. Le modèle développé permet de cibler les paramètres de conception et les acteurs du cycle de vie à l’origine des impacts environnementaux, pour mieux considérer et tenter de les réduire.En résumé, cette thèse réinterroge l’application du concept de modèle produit dans le cas de la prise en compte des impacts environnementaux en conception afin d’aboutir à leur intégration efficace