Que sont les batteries spatiales lithium-ion qualifiées vol ?
Les batteries spatiales stockent l'énergie produite par les panneaux solaires pour alimenter le satellite pendant les éclipses (passage dans l'ombre de la Terre, jusqu'à 72 minutes consécutives par jour en orbite LEO ou 70 minutes 90 jours/an en GEO durant les saisons d'éclipse). La technologie standard depuis 2003 est le lithium-ion à cathode NCA (nickel-cobalt-aluminium) ou NMC (nickel-manganèse-cobalt), avec une densité énergétique de 130 à 180 Wh/kg cellule (vs 30 Wh/kg pour le nickel-cadmium NiCd remplacé). La durée de vie attendue en GEO est de 15 ans avec 1 350 cycles charge-décharge (90 cycles/an x 15 ans) et un DOD (Depth of Discharge) limité à 80 %.
Saft Poitiers 86 et Nersac 16 (Charente, ancienne division batteries de TotalEnergies, racheté Total en 2016 et toujours filiale Total Energies) est le leader mondial des batteries spatiales lithium-ion qualifiées vol. Le site Saft Bordeaux Nersac 16 (550 salariés) produit les cellules VES180 et VL51E. Le site Poitiers 86 (350 salariés) assemble les modules et batteries complètes (4 à 32 cellules en série). Saft a équipé plus de 50 satellites télécom GEO depuis 2003 (Eutelsat, SES, ARABSAT, Hellas-Sat, Telesat), les constellations Galileo (24+6) et O3b (20), les sondes ESA Mars Express, Venus Express, BepiColombo, JUICE, Solar Orbiter, et le lanceur Ariane 6. Concurrents : Eagle Picher (US, leader marché US), GS Yuasa (Japon, fournisseur ISS), ABSL/Enersys (UK).
Spécifications techniques et procédés de production
Cellules et batteries spatiales lithium-ion Saft :
Familles de produits et caractéristiques
| Modèle | Capacité | Densité énergétique | Application |
|---|---|---|---|
| Cellule VES100 (legacy) | 39 Ah / 5 V | 138 Wh/kg | Satellites télécom GEO 2003-2015 |
| Cellule VES180 standard 2025 | 50 Ah / 3,6 V | 180 Wh/kg | Plateformes Eurostar Neo, Spacebus Neo |
| Cellule VL51E haute énergie | 51 Ah / 3,7 V | 165 Wh/kg | Satellites Earth observation, sondes |
| Cellule MP176065 standard | 5,8 Ah / 3,7 V | 150 Wh/kg | CubeSats 6U à 16U, microsatellites |
| Batterie satellite télécom typique | 350 Ah / 100 V | 150 Wh/kg système | Plateforme Eurostar Neo 20 kW |
| Pack batterie sonde scientifique | 30 Ah / 28 V | 140 Wh/kg système | Sondes ESA Mars, Vénus, Jupiter |
Grades et conditionnements commerciaux
- Cellule VES180 Saft : chimie NCA (LiNiCoAlO2 cathode + graphite anode), capacité 50 Ah, tension 3,6 V nominale, densité énergétique 180 Wh/kg (record industrie spatiale), durée vie 15 ans GEO.
- Cellule VL51E haute énergie : chimie NMC811 (nickel 80 %), capacité 51 Ah, densité 165 Wh/kg, optimisée pour cyclage profond LEO (5 500 cycles 5 ans), utilisée constellations IRIS² futures.
- Cellule MP176065 small format : 5,8 Ah / 3,7 V, format 18650 type Tesla mais qualifiée vol, utilisée pour CubeSats 6U à 16U et microsatellites NewSpace.
- Module batterie ASCM (Aliphatic Saft Cell Module) : 4 à 8 cellules en série + BMS Battery Management System intégré, équilibrage actif inter-cellules, surveillance température et tension.
- Batterie complète satellite télécom GEO : typiquement 32 cellules VES180 en série-parallèle (8s4p), 350 Ah / 100 V, énergie totale 35 kWh, masse 240 kg, durée vie 15 ans.
Normes et réglementations
Standards et qualifications applicables aux batteries spatiales :
- ECSS-E-ST-20-21 : Space Engineering - Electrical and electronic, exigences générales équipements électriques spatiaux.
- ECSS-Q-ST-70-37 : Space Product Assurance - Determination of the susceptibility of silver-plated copper wire and cable to red plague.
- JSC 20793 : NASA Crewed Space Vehicle Battery Safety Requirements, qualification batteries habitées ISS.
- UN 38.3 : United Nations Manual of Tests and Criteria, qualifications transport aérien batteries lithium-ion (vibration, choc, court-circuit, surcharge).
- ECSS-Q-ST-70-09 : Cycling tests, tests cyclage charge-décharge représentatifs de la mission (1 350 cycles GEO ou 27 000 cycles LEO 5 ans).
- IEC 62660 : Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles - Performance testing, adapté pour spatial.
Procédés industriels détaillés
Étapes de fabrication d'une cellule VES180 Saft Nersac 16 :
Préparation cathode et anode
Mélange cathode NCA (LiNiCoAlO2) + PVDF binder + carbone noir conducteur, enduction sur feuillard aluminium 20 µm chez Saft Nersac 16. Mélange anode graphite + CMC + SBR + carbone, enduction sur feuillard cuivre 12 µm. Séchage 120 °C, calandrage.
Découpe et assemblage électrodes
Découpe précision des électrodes par presse rotative (longueur 4 m), assemblage en jelly-roll (rouleau cathode + anode + 2 séparateurs polyoléfine 25 µm), insertion en boîtier acier inox prismatique.
Remplissage électrolyte
Remplissage cellule sous vide à -101 kPa avec électrolyte LiPF6 1,2 M dans solvants carbonate (EC + DMC + EMC + additifs FEC, VC), volume 110 mL pour VES180, atmosphère argon < 10 ppm humidité.
Formation et cyclage initial
Formation cellule : premier cycle charge à C/20 pendant 20 heures pour former SEI (Solid Electrolyte Interphase) sur anode graphite, cyclage 3 cycles à C/3 pour stabilisation, mesure capacité initiale > 50 Ah.
Tests fonctionnels et tri
Tests fonctionnels : impédance interne < 1 mΩ, capacité > 50 Ah, auto-décharge < 2 %/mois, tension à vide stable. Classement performance, traçabilité matière 100 %, conditionnement par lot.
Qualification batterie complète
Assemblage modules ASCM à Saft Poitiers 86 (4 à 32 cellules + BMS), tests fonctionnels au niveau batterie, tests environnementaux vibrations + thermique-vide + cyclage 1 350 cycles GEO chez Saft ou ESA ESTEC.
Le marché français
Le marché mondial des batteries spatiales lithium-ion représente environ 200 M€ par an, en croissance +20 %/an avec l'explosion des constellations NewSpace (Starlink 12 000+ satellites, OneWeb 648, Kuiper 3 236, IRIS² 290). Saft Poitiers 86 et Nersac 16 est le leader mondial historique avec 35 % parts de marché, principalement sur les satellites télécom GEO institutionnels et scientifiques (haute fiabilité, longue durée vie). Eagle Picher (US, 25 %), GS Yuasa (Japon, 15 %), ABSL/Enersys (UK, 10 %) et autres (15 %) complètent le marché.
Le marché NewSpace LEO est dominé par des batteries plus standardisées (cellules 18650 ou 21700 type Tesla qualifiées vol) avec des fournisseurs comme Customcells Allemagne, Northvolt Suède, et acteurs spécialisés Ibeos US, Clyde Space UK. SpaceX produit ses propres batteries Starlink en interne (cellules 21700 Panasonic LCA, modifiées et qualifiées vol). Saft développe sa cellule VL51E spécifiquement pour ce segment LEO avec un coût compétitif (objectif divisé par 3 vs VES180 GEO).
Saft Bordeaux Nersac 16 emploie 550 salariés et investit 50 M€ dans la modernisation des lignes de production cellules VES180 et VL51E entre 2023 et 2026, notamment pour servir le marché IRIS² (290 satellites soit 600+ batteries pack). Le site Saft Poitiers 86 (350 salariés) assemble les modules et batteries complètes. France 2030 finance 8 M€ pour le développement de la cellule VL58E nouvelle génération (200 Wh/kg, qualification vol prévue 2027). Saft est filiale TotalEnergies (depuis 2016, racheté à Westinghouse) et bénéficie du soutien stratégique du groupe pour les marchés spatial, défense et stockage stationnaire.
Applications et débouchés industriels
Programmes spatiaux français et européens utilisant les batteries Saft :
- Plateformes télécom GEO Eurostar Neo Airbus DS et Spacebus Neo Thales Alenia Space : batteries VES180 standard 350 Ah / 100 V, 50+ satellites en orbite ou en construction.
- Constellation Galileo (24+6 satellites MEO) : batteries Saft VES180 modules ASCM, capacité 1,2 kWh par satellite, durée vie 12 ans en orbite MEO 23 000 km.
- Lanceur Ariane 6 : batteries Saft pour alimentation calculateurs de bord avionique et systèmes de séparation pyrotechnique, autonomie 30 minutes de vol.
- Sondes scientifiques ESA : Mars Express (2003-2025+), Venus Express (2005-2014), BepiColombo (Mercure 2018-2026), JUICE (Jupiter 2023-2031), Solar Orbiter (Soleil 2020-2030), toutes équipées batteries Saft.
- Constellation IRIS² (UE 290 satellites 2030) : 600+ packs batteries Saft VL51E ou VES180 commandés 2026-2030, opportunité majeure 100 M€+ chiffre d'affaires.
Questions fréquentes
Pourquoi utiliser des batteries lithium-ion sur les satellites ?
Les batteries lithium-ion (chimie NCA ou NMC) sont privilégiées en spatial pour leur densité énergétique élevée (150 à 180 Wh/kg cellule, 6x supérieure au nickel-cadmium NiCd remplacé), leur faible auto-décharge (2 %/mois vs 20 %/mois pour NiCd), leur durée de vie longue (1 350 cycles charge-décharge en GEO sur 15 ans avec DOD 80 %, 27 000 cycles en LEO 5 ans avec DOD 30 %), et leur faible effet mémoire. Chaque kilogramme économisé sur la batterie permet d'embarquer un kilogramme de plus de charge utile commerciale ou de réduire la masse au lancement (1 kg coûte 10 à 30 K€ de mise en orbite GEO).
Combien d'années dure une batterie lithium-ion en orbite GEO ?
Une batterie lithium-ion satellite télécom GEO conçue par Saft (cellules VES180) dure typiquement 15 ans en orbite, équivalent à 1 350 cycles charge-décharge (90 cycles par an pendant les 2 saisons d'éclipse de 45 jours par an). Le DOD (Depth of Discharge) est limité à 80 % pour préserver la durée de vie. La capacité résiduelle EOL (End of Life) est de 70 à 75 % de la capacité initiale BOL. Au-delà de 15 ans, la dégradation s'accélère et le satellite est généralement déclassé pour des raisons d'usure globale (panneaux solaires, propulsion, électronique) avant la batterie.
Qui fabrique les batteries spatiales en France ?
Saft Bordeaux Nersac 16 (Charente, 550 salariés) est le leader français et mondial historique des batteries spatiales lithium-ion qualifiées vol. Le site produit les cellules VES180 (180 Wh/kg, GEO) et VL51E (165 Wh/kg, LEO et MEO). Saft Poitiers 86 (350 salariés) assemble les modules ASCM et batteries complètes (4 à 32 cellules en série). Saft est filiale de TotalEnergies depuis 2016. Aucun autre fabricant français de batteries spatiales (les startups comme Verkor Grenoble produisent batteries automobiles uniquement). Pour les CubeSats, AAC Clyde Space UK et Customcells Allemagne sont des alternatives.
Combien coûte une batterie satellite télécom GEO ?
Une batterie satellite télécom GEO complète Saft (350 Ah / 100 V, 35 kWh, masse 240 kg, configuration 8s4p de cellules VES180) coûte environ 4 à 6 M€ unitaire incluant cellules (2 à 3 M€), BMS Battery Management System (500 K€), structure mécanique et harnais (500 K€), qualification vol ECSS-E-ST-20-21 (1 M€), tests vibration et cyclage (500 K€), traçabilité matière complète (100 K€). Le coût par watt-heure est de 110 à 170 €/Wh, soit 100x plus cher qu'une batterie automobile, justifié par les exigences de fiabilité 15 ans en environnement extrême.