Énergie
Batteries en nid d’abeille : une piste pour concurrencer les batteries tout solides
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Batteries pour électrifier le monde
Les batteries transforment de nombreux usages, des véhicules électriques aux drones. Elles pourraient aussi contribuer à des projets plus expérimentaux, comme certains systèmes de transport ou des catapultes électromagnétiques pour lancer des charges dans l’espace. Ces projets n’ont toutefois pas tous le même degré de maturité.
Elles contribuent également à l’intégration des énergies renouvelables en stockant de l’électricité pour les périodes où la production solaire ou éolienne diminue. Elles ne sont pas la seule solution de flexibilité du réseau.
Source: Statista
Les batteries lithium-ion occupent une place centrale dans cette évolution. Leur développement a été récompensé par le prix Nobel de chimie en 2019 (pour en savoir plus, consultez notre article consacré à l’histoire de cette découverte).
Sous certaines conditions, notamment une charge trop rapide ou à basse température, du lithium métallique peut se déposer sur l’anode et former des dendrites. Celles-ci risquent de provoquer un court-circuit interne. Ce phénomène n’est pas inévitable à chaque cycle. Les électrolytes organiques inflammables de nombreuses batteries lithium-ion peuvent aggraver les conséquences d’un emballement thermique.
Les batteries LFP, ou lithium-fer-phosphate, peuvent elles aussi subir un dépôt de lithium dans certaines conditions. Leur cathode est généralement plus stable thermiquement que celle de certaines autres chimies, sans rendre tout risque impossible.
Source: Nobel Prize
D’autres approches sont étudiées, comme les batteries sodium-ion ou les batteries tout solides. Ces dernières utilisent un électrolyte solide : elles ne sont pas dépourvues d’électrolyte.
CATL a annoncé plusieurs avancées distinctes en 2024 : une structure d’anode en nid d’abeille pour Shenxing PLUS et, pour le stockage stationnaire TENER, une absence de dégradation annoncée pendant les cinq premières années. Il ne faut pas confondre ces produits ou leurs résultats.
Ces innovations peuvent améliorer les batteries fondées sur des procédés existants, mais ne démontrent pas qu’elles surpassent toutes les batteries tout solides.
Une structure en nid d’abeille pour améliorer les performances
L’insertion et l’extraction des ions lithium peuvent entraîner des variations de volume des matériaux d’électrode. Ces contraintes contribuent à certains mécanismes de vieillissement, tandis que la formation de dendrites dépend aussi des conditions électrochimiques et de charge.
La maîtrise des variations de volume et des interfaces est également importante pour les batteries tout solides. Pour Shenxing PLUS, CATL décrit une structure tridimensionnelle en nid d’abeille au niveau de l’anode, associée à d’autres améliorations.
Des structures de ce type avaient déjà été étudiées. Une publication de 2020 présentait ainsi une batterie lithium-ion extensible fondée sur une nouvelle microstructure en nid d’abeille. Cela ne signifie pas que CATL utilise exactement le même procédé.
Source: Phys.org
CATL a annoncé une batterie LFP Shenxing PLUS permettant, selon ses conditions d’essai, de récupérer 600 km d’autonomie en dix minutes. L’autonomie totale annoncée dépasse 1 000 km, mais dépend du véhicule, du cycle de mesure, de la météo et des conditions d’utilisation.
Les 600 km en dix minutes correspondent à une moyenne d’environ un kilomètre par seconde pendant la plage testée. On ne peut pas extrapoler linéairement ce chiffre à une recharge complète de 1 000 km en 16,6 minutes, car la puissance varie au cours de la charge.
Une densité énergétique accrue pour un système LFP
Selon CATL, le système Shenxing PLUS atteint une densité énergétique de 205 Wh/kg, dépassant 200 Wh/kg. Il s’agit d’une valeur au niveau du système, à distinguer d’une mesure portant sur une cellule seule.
La structure de l’anode vise à mieux gérer les variations de volume et à améliorer l’utilisation de l’espace. Elle ne supprime pas nécessairement toute fissure ou tout vieillissement dans toutes les conditions.
CATL ne divulgue pas tous les détails de fabrication. Les comparaisons doivent aussi tenir compte du niveau mesuré : les 190 Wh/kg évoqués pour une future génération de batteries Blade de BYD étaient une prévision rapportée en 2024, et non une comparaison indépendante de systèmes identiques.
Secrets de fabrication
CATL évoque notamment une gradation des particules et un encapsulage nanométrique, ainsi qu’un revêtement facilitant le transport des ions lithium. Ces techniques visent à améliorer la structure des électrodes et la recharge ; elles ne signifient pas que chaque nanoparticule est placée individuellement à un emplacement précis.
CATL utilise des lignes de production fortement automatisées. Une cadence annoncée d’une cellule par seconde sur certaines lignes ne doit pas être confondue avec la fabrication d’un pack automobile complet chaque seconde.
Une publication scientifique de 2021 étudie les avantages de structures en nid d’abeille : faible densité et résistance à certaines sollicitations de compression et de cisaillement. Ces résultats de recherche ne décrivent pas nécessairement le procédé commercial de CATL.
Dans les matériaux étudiés, une structure de graphène en nid d’abeille peut limiter l’agglomération des nanoparticules de silicium, améliorer la conductivité électrique et faciliter le transport des ions Li+. Il ne s’agit pas d’une description confirmée de l’anode Shenxing PLUS.
Des traitements thermiques et chimiques peuvent créer de telles nanostructures dans certains matériaux. Le procédé exact utilisé par CATL n’est pas établi par cette publication.
Source: Chemistry Europe
Source: Chemistry Europe
Autres améliorations
Les améliorations de densité énergétique, de conception et de masse peuvent se renforcer mutuellement. À autonomie donnée, une batterie plus légère peut réduire la consommation du véhicule, mais le résultat dépend de l’ensemble du système.
CATL mentionne aussi une optimisation de sa technologie cell-to-pack CTP 3.0, et non cell-to-body CTB, avec une amélioration annoncée de 7 % de l’utilisation du volume. Il faut distinguer l’intégration des cellules dans le pack de leur intégration dans la carrosserie.
Le système comprend également des améliorations du refroidissement et du boîtier haute tension. Un algorithme de gestion de batterie aide à surveiller le fonctionnement, sans garantir à lui seul l’absence de tout incident.
Infrastructure de recharge
La recharge rapide dépend de la disponibilité, de la fiabilité et de la puissance des bornes, ainsi que de leur raccordement au réseau. La densité nécessaire n’est pas forcément identique à celle des stations-service, car une partie des recharges peut se faire à domicile ou sur le lieu de travail.
Une charge à 4C correspond théoriquement à une puissance de 400 kW pour une batterie de 100 kWh si cette puissance est maintenue. En pratique, les limites du véhicule et de la borne, la température et la courbe de charge empêchent d’en déduire automatiquement une recharge complète en un quart d’heure.
En 2024, CATL annonçait le développement en Chine du réseau de recharge ultrarapide Shenxing avec des partenaires comme Star Charge, YKC et Shudao New Energy.
L’entreprise évoquait également 600 points de service couvrant 271 villes de niveau préfectoral dans 31 régions provinciales. Ces points de service, incluant notamment l’inspection et la maintenance, ne sont pas nécessairement 600 bornes de recharge.
Au-delà du LFP et des véhicules électriques
Stockage à l’échelle du réseau
CATL développe aussi des systèmes de stockage stationnaire. Plusieurs chimies, dont le lithium-ion et le sodium-ion, peuvent répondre à des besoins différents ; l’une n’exclut pas nécessairement l’autre.
Lors du lancement de TENER en avril 2024, CATL a annoncé une absence de dégradation de capacité et de puissance pendant les cinq premières années. Ce n’était pas le compte rendu d’un système commercial ayant déjà fonctionné cinq ans, et les conditions de validation restent essentielles.
Source: Sustainability Environment
CATL décrit pour TENER des technologies d’électrolyte et d’interface. La société n’a pas établi que ce système utilise la même structure en nid d’abeille que Shenxing PLUS. Sa présentation peut être résumée ainsi :
Pour TENER, CATL associe une interphase solide-électrolyte (SEI) à canaux ioniques biomimétiques et une forte stabilité à des technologies d’électrolyte autoassemblé, afin de limiter le vieillissement.
L’entreprise indique également avoir travaillé sur la réactivité du lithium et sur la prévention de certaines instabilités thermiques liées aux réactions d’oxydation. Ces affirmations décrivent sa conception et ne prouvent pas l’absence de tout risque dans chaque installation.
Si les performances annoncées se confirment dans les conditions d’exploitation, elles pourraient améliorer l’économie du stockage stationnaire. L’absence de perte de capacité annoncée sur une période donnée ne suffit toutefois pas à démontrer la sécurité complète du système ni une durée de vie illimitée.
D’autres chimies peuvent rester compétitives, comme nous l’examinons dans ”L’avenir du stockage d’énergie : les batteries à l’échelle du réseau”. Le potentiel du stockage stationnaire est important, mais sa taille relative au marché automobile dépend de l’horizon et de l’unité de comparaison.
Batteries à matière condensée
CATL a présenté en 2023 une batterie dite à matière condensée. Il n’est pas établi qu’elle repose sur la même architecture en nid d’abeille que Shenxing PLUS, ni qu’elle était déjà produite en masse en 2024.
CATL a annoncé jusqu’à 500 Wh/kg au niveau de la cellule pour cette technologie. Ce chiffre ne peut pas être directement comparé aux 205 Wh/kg du système Shenxing PLUS, qui comprend des composants supplémentaires.
Les annonces de CATL dessinent plusieurs pistes, avec des maturités, des coûts et des usages différents :
- Des cellules à matière condensée annoncées jusqu’à 500 Wh/kg, notamment étudiées pour l’aviation électrique ; leur certification et leur commercialisation restent des étapes distinctes.
- Des systèmes LFP Shenxing PLUS annoncés à 205 Wh/kg, avec une autonomie supérieure à 1 000 km selon le véhicule et 600 km récupérés en dix minutes dans les conditions annoncées.
- Des batteries sodium-ion pouvant répondre à certains besoins de coût, de température et de ressources, sans garantir le prix final des véhicules.
La place des batteries tout solides dépendra de leurs performances, de leur prix et de leur capacité de production. La 1re génération de ces batteries devra concurrencer des technologies lithium-ion déjà industrialisées, mais son échec n’est pas acquis.
Source: Nature
Investir dans les technologies avancées de batteries
Les batteries contribuent à l’électrification des transports et au stockage de l’électricité. La réduction des émissions dépend aussi de la production d’énergie, des matériaux et du cycle de vie des équipements.
Les actions d’entreprises du secteur sont accessibles par différents courtiers. Sur securities.io, vous trouverez des guides pour les États-Unis, le Canada, l’Australie, le Royaume-Uni et d’autres pays.
Pour une exposition répartie entre plusieurs entreprises, il existe des fonds comme Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Lithium & Battery Tech ETF (LIT) de Global X ou WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF. Leur diversification, leurs frais et leurs risques varient, et ils ne garantissent pas un gain lié à la croissance du secteur.
Entreprises de batteries avancées
1. CATL (300750.SZ)
CATL est un acteur majeur des batteries. Selon les données citées dans ses résultats 2023, sa part des batteries de véhicules électriques installées dans le monde atteignait 36,8 %, et non plus de la moitié de toutes les batteries mondiales. Les parts de marché dépendent du segment et de l’unité mesurée.
Sa position dans le lithium-ion et sa capacité industrielle sont importantes, mais les nouvelles annonces doivent être évaluées selon leur disponibilité, leur coût et leurs performances vérifiées.
CATL a également présenté plusieurs autres pistes :
- Une batterie de stockage stationnaire annoncée pour 12 000 cycles, avec un objectif de développement à plus long terme de 18 000 cycles.
- La première génération Shenxing LFP, annoncée avec 700 km d’autonomie et 400 km récupérés en dix minutes, des chiffres soumis au véhicule et aux conditions de mesure.
- Une cellule à matière condensée annoncée à 500 Wh/kg pour de possibles applications dans l’aviation électrique, qui nécessitent encore validation et certification.
- Une première génération sodium-ion annoncée à 160 Wh/kg au niveau de la cellule et un objectif de 200 Wh/kg pour une génération ultérieure. L’annonce d’une technologie n’équivaut pas à sa disponibilité dans tous les véhicules.
Source: CATL
Source: CATL
CATL a aussi annoncé un projet d’environ 3,25 milliards d’euros pour développer le recyclage en Chine. La société indique des taux de récupération de 99,6 % pour le nickel, le cobalt et le manganèse, et de 91 % pour le lithium, dans les procédés concernés. Ces taux ne représentent pas la part de toutes les batteries effectivement collectées.
La taille de CATL et ses efforts de recherche peuvent soutenir sa position dans la fabrication et le recyclage, sans garantir sa supériorité sur chaque technologie.
CATL fournit notamment Tesla (TSLA ), NIO, Ford et Stellantis, selon les produits et accords concernés. Ses relations commerciales et partenariats continuent d’évoluer.
Certaines connaissances peuvent être transférées d’une chimie à une autre. Une future batterie sodium-ion à matière condensée ou en nid d’abeille reste toutefois une hypothèse tant qu’un produit correspondant n’est pas annoncé et validé.
2. BYD (BYDDY)
BYD, constructeur automobile et fabricant de batteries, est un concurrent important sur plusieurs segments du véhicule électrique.
L’entreprise s’est développée à partir de son activité de batteries pour devenir un grand vendeur de véhicules électriques et hybrides rechargeables en Chine et sur plusieurs marchés internationaux. Les classements dépendent de l’année, du pays et de la distinction entre véhicules entièrement électriques et hybrides rechargeables.
La Chine est devenue en 2023 le premier exportateur mondial de véhicules selon les statistiques généralement citées. BYD développe ses ventes à l’étranger et prévoit des usines locales, notamment en Hongrie. Une annonce d’usine ne signifie pas que la production a déjà commencé.
La Seagull, proposée à bas prix en Chine, utilise une batterie Blade LFP, et non une batterie sodium-ion dans le modèle commercialisé en 2024. Les prix chinois ne peuvent pas être directement transposés aux marchés d’exportation.
BYD concurrence CATL dans les batteries LFP. Les parts de 41,1 % et 33,9 % citées dans certaines comparaisons concernent un segment et une période du marché chinois, pas toutes les batteries mondiales ni un classement intemporel.
Les droits de douane et les règles commerciales peuvent freiner l’expansion des véhicules chinois, notamment dans l’Union européenne et aux États-Unis. Les ventes et implantations doivent être évaluées marché par marché.
BYD développe aussi sa présence en Amérique du Sud, en Asie du Sud-Est et dans d’autres régions. Ces marchés ont eux aussi des constructeurs, des réglementations, des contraintes de pouvoir d’achat et parfois des politiques de protection de l’industrie locale.
Une population importante représente un potentiel commercial, mais ne correspond pas au nombre de clients capables ou désireux d’acheter un véhicule. Les relations géopolitiques ne garantissent pas l’absence de barrières commerciales.
La production locale pourrait aider BYD sur certains marchés. Les projets annoncés en Hongrie, en Turquie ou ailleurs doivent toutefois être distingués des usines déjà opérationnelles ; un projet évoqué au Mexique ne prouve pas l’accès au marché américain.
