Nouvelle conception Li-ion permettant une charge rapide des VE par temps froid

Le marché mondial des véhicules électriques (VE) connaît une croissance robuste, avec une voiture sur cinq vendue étant électrique. 

L’année dernière, le nombre de VE vendus a augmenté de 25 %, et avec cela, les VE représentaient 21 % de toutes les ventes de voitures dans le monde. 

Cette croissance est alimentée par la demande des consommateurs, soucieux du changement climatique, le soutien politique des gouvernements du monde entier, la concurrence accrue sur les prix, rendant les VE abordables, ainsi que les améliorations de la technologie des batteries. 

Dans le domaine des batteries, les batteries lithium-ion sont la technologie de batterie la plus populaire et la plus largement utilisée en raison de leur légèreté, de leur haute densité énergétique et de leur longue durée de vie. 

Cependant, malgré ces avancées technologiques, les batteries Li-ion existantes ont des performances limitées à basse température et lors de charges rapides. Leur performance est également affectée si l’électrode est trop épaisse, où plusieurs effets de transport de masse et de cinétique interfaciale doivent être traités simultanément. 

Cela entraîne des compromis de conception qui limitent l’utilisation des batteries dans des zones difficiles à électrifier. Cela s’applique notamment aux environnements extrêmes et aux configurations où la gestion thermique n’est pas réalisable. 

Cela signifie que l’amélioration des batteries lithium nécessite de résoudre le trilemme entre des électrodes à haute densité énergétique, le fonctionnement à basse température et la charge rapide. 

Dans ce but, des ingénieurs de l’Université du Michigan ont introduit une stratégie qui permet une charge extrêmement rapide, jusqu’à 6 C, à des températures aussi basses que −10 °C. La charge rapide à basse température promet d’améliorer les VE dans les climats froids. 

La charge rapide à des températures sous zéro a été réalisée tout en maintenant des charges d’électrode supérieures à 3 mAh/cm². 

Pour cela, l’équipe propose une stratégie qui intègre des architectures d’électrodes tridimensionnelles avec une interface solide-électrolyte (SEI) artificielle, en utilisant le dépôt en couches atomiques d’un électrolyte solide (Li3BO3‑Li2CO3). 

Cette stratégie synergique peut résoudre les limitations interfaciales et de transport dans des conditions extrêmes sans dépôt de lithium nocif. La modification des électrodes pour améliorer le transport de masse et la cinétique interfaciale a augmenté leur capacité accessible. 

Selon l’étude, publié dans Joule¹, elle fournit des informations fondamentales sur les mécanismes dominants qui contrôlent le dépôt de lithium et la perte de capacité dans des conditions de basse température et de charge rapide.

Charge rapide pour les VE par temps froid 

L’adoption mondiale des VE a augmenté régulièrement depuis les années 2010. En 2020, les voitures électriques ont connu leur grand moment alors que les immatriculations ont augmenté sur les principaux marchés malgré la pandémie de COVID. 

EVs ont eu leur année record en 2020, avec plus de 10 millions d’entre eux circulant sur les routes à la fin de l’année, les modèles électriques à batterie stimulant l’expansion.

Depuis lors, les voitures électriques sont devenues encore plus populaires, devenant une vue courante sur les routes. Cependant, le rythme de croissance ralentit maintenant. 

Selon une enquête de consommation AAA, le nombre d’adultes américains qui seraient « probablement » ou « très probablement » d’acheter un VE neuf ou d’occasion est passé de 23 % en 2023 à 18 % en 2024. De plus, 63 % ont déclaré qu’ils seraient « peu probables » ou « très peu probables » d’acheter un VE comme prochain véhicule. 

« Les premiers adoptants qui voulaient un VE en possèdent déjà un, » a déclaré Greg Brannon, directeur de la recherche automobile chez AAA, l’été dernier. « Le groupe restant de personnes qui n’ont pas encore adopté les VE considère la praticité, le coût, la commodité et l’expérience de possession, et pour certains, ces obstacles sont suffisamment importants pour les empêcher de passer à l’électrique complet. » L’intérêt se tourne vers les hybrides. 

Ce changement est en partie dû aux inquiétudes concernant la perte d’autonomie en hiver et la charge plus lente. En hiver, les batteries doivent être suffisamment chaudes pour que les électrons se déplacent, ce qui signifie qu’il peut falloir une demi-heure pour réchauffer la batterie et la préparer à la charge. Selon Neil Dasgupta, professeur associé de génie mécanique et de science et génie des matériaux à l’U‑M :

« La charge d’une batterie de VE prend 30 à 40 minutes même pour une charge rapide agressive, et ce temps augmente à plus d’une heure en hiver. C’est le point douloureux que nous voulons résoudre. »

Des études ont constaté que la perte d’autonomie peut varier de 10 % à 36 %. Le fait est qu’à basse température, « pratiquement toute substance chimique ralentit ». 

Ainsi, les ingénieurs de l’U‑M ont développé un processus de fabrication modifié pour les batteries de VE qui pourrait permettre une charge rapide par temps glacial et des autonomies élevées. Avec la résolution de ces problèmes majeurs, ce processus peut davantage soutenir l’adoption des voitures électriques. 

« Nous envisageons cette approche comme quelque chose que les fabricants de batteries de VE pourraient adopter sans changements majeurs aux usines existantes. Pour la première fois, nous avons montré une voie permettant d’atteindre simultanément une charge extrêmement rapide à basse température, sans sacrifier la densité énergétique de la batterie lithium-ion. »

– Auteur correspondant de l’étude, Dasgupta

En utilisant ce nouveau processus de fabrication, Li-ion EV batteries peuvent se charger jusqu’à 500 % plus rapidement même à 14 °F.

Cette forte performance résulte d’une structure et d’un revêtement qui empêchent la formation de dépôt de lithium sur les électrodes de la batterie. Le dépôt de lithium est préjudiciable aux batteries, entravant leurs performances par la perte de capacité et la réduction de la durée de vie cyclique. Il peut même constituer un risque de sécurité potentiel sous forme de courts-circuits internes dus à la formation de dendrites de lithium. 

En empêchant la formation de dépôt de lithium, les modifications ont permis aux batteries de conserver jusqu’à 97 % de leur capacité, même après 100 charges rapides à des températures très froides.

Concevoir une batterie avec une meilleure vitesse, autonomie & résistance au froid

Les batteries de VE stockent l’énergie chimique et la convertissent en énergie électrique. Cette conversion est entraînée par une réaction électrochimique qui utilise des cellules lithium-ion avec une anode (électrode négative) et une cathode (électrode positive) séparées par un séparateur et un électrolyte. 

L’électrolyte, une solution telle qu’un sel de lithium, facilite le transfert d’ions entre la cathode et l’anode. Ce mouvement d’ions entraîne le flux d’électrons à travers un circuit externe, créant de l’énergie électrique pour alimenter le dispositif connecté.

Lors de la décharge, lorsque la batterie est en cours d’utilisation, l’anode libère des ions Li vers la cathode. Lors de la charge, c’est-à-dire lorsqu’elle est branchée à la source d’alimentation, la cathode libère les ions lithium vers l’anode. À basse température, le mouvement des ions ralentit, réduisant la puissance de la batterie et le taux de charge.

Pour augmenter l’autonomie d’un VE, c’est-à-dire la distance qu’il peut parcourir avec une seule charge, les constructeurs ont adopté l’approche d’augmenter l’épaisseur des électrodes. Cela a permis aux constructeurs d’offrir des trajets plus longs avant de devoir recharger, mais cela rend également une partie du lithium difficile d’accès, ce qui conduit à une charge plus lente et à moins de puissance pour un poids de batterie donné.

L’équipe de l’U‑M avait précédemment amélioré² la capacité de charge de la batterie en créant des voies dans l’anode, chacune de 40 microns de taille. Les canaux servaient de voies de diffusion pour un transport ionique rapide.

Pour cela, ils ont présenté un processus de gravure laser pour produire des architectures d’anodes en graphite 3D. Dans ce processus, ils ont bombardé le graphite avec des lasers, ce qui a permis aux ions Li de trouver des emplacements plus rapidement. En pénétrant profondément dans l’électrode, ils ont assuré une charge plus uniforme.

Lors des tests, leur conception a montré une rétention de capacité de 91 % et 86 % après 600 cycles de charge à 4 C et 6 C, respectivement. Leur conception d’anode 3D a également permis aux cellules d’accéder à plus de 90 % de capacité lors de la charge rapide.

Bien que la charge à température ambiante ait été considérablement accélérée, la charge à basse température est restée inefficace. Cela était dû à la couche chimique qui se forme à la surface de l’électrode suite à la réaction avec l’électrolyte.

« Ce dépôt empêche l’ensemble de l’électrode d’être chargé, réduisant à nouveau la capacité énergétique de la batterie. »

– Co-auteur de l’étude Manoj Jangid, chercheur principal senior en génie mécanique à l’U‑M.

La solution à ce problème était d’empêcher la formation de la couche de surface, ce qui a été réalisé en revêtant la batterie d’un matériau composé de borate de lithium‑carbonate. Le revêtement, d’une épaisseur d’environ 20 nm, a accéléré la charge à froid.

Lorsque cela a été combiné avec les canaux, les cellules testées ont été constatées se charger 500 % plus rapidement à des températures sous le point de congélation.

« Grâce à la synergie entre les architectures 3 D et l’interface artificielle, ce travail peut simultanément résoudre le trilemme de la charge rapide à basse température pour une conduite à longue portée. »

– Premier auteur Tae Cho, récent diplômé Ph.D. en génie mécanique

Le travail ultérieur visant à développer un processus prêt pour l’usine est financé par la Michigan Economic Development Corporation.

L’équipe d’ingénierie de l’U‑M a également déposé une demande de protection par brevet. Parallèlement, Arbor Battery Innovations — une entité dans laquelle Dasgupta et l’Université ont un intérêt financier — a licencié la technologie des canaux et travaille maintenant à sa commercialisation.

Entreprise innovante

Ford Motor  

Maintenant, si nous examinons une entreprise innovante dans le monde des batteries et des VE, la capitalisation boursière de 875,5 milliards de dollars de Tesla d’Elon Musk (TSLA ) est le nom le plus en vue, mais il traverse une période difficile. Ses actions ont baissé de 32,6 % depuis le début de l’année et se négocient à 261,23. L’entreprise qui ne verse aucun dividende a également subi une baisse de 13 % au premier trimestre 2025 de ses livraisons de véhicules (336 681) par rapport à l’année précédente. Au cours de ce trimestre, Tesla a fait face à des boycotts, des protestations et même des actes criminels en raison de l’implication du PDG Musk dans l’administration Trump.

Ensuite, il y a la capitalisation boursière de 7,1 milliards de dollars d’Albemarle Corporation (ALB ), l’un des plus grands producteurs de lithium et essentiel à la chaîne d’approvisionnement des batteries lithium-ion. Les actions d’ALB sont également en baisse de près de 30 % depuis le début de l’année, bien qu’elles versent un rendement de dividende de 2,68 %.

Dans l’infrastructure des VE, ChargePoint (CHPT ) , qui a une capitalisation boursière de 273,3 millions de dollars, fait également face à un environnement difficile. Son chiffre d’affaires a chuté, et ses actions sont en baisse de 44,25 % depuis le début de l’année, se négociant à 0,60 $.

Alors, existe-t-il des entreprises qui réussissent réellement ? Eh bien, les entreprises chinoises BYD et CATL le font assurément.

Le constructeur automobile et fabricant de batteries chinois connaît une croissance financière importante, déclarant un chiffre d’affaires annuel de 107 milliards de dollars pour 2024, surpassant Tesla. « BYD est devenu un leader de l’industrie dans tous les secteurs, des batteries, de l’électronique aux véhicules à énergie nouvelle, rompant la domination des marques étrangères et remodelant le nouveau paysage du marché mondial, » a déclaré le président de BYD, Wang Chuanfu.

Au premier trimestre 2025, BYD a vendu près d’un million de véhicules particuliers, soit une hausse de 58,7 % par rapport au premier trimestre 2024. Un peu plus de 200 000 de ces véhicules ont été exportés à l’étranger, soit une augmentation de 110,5 % par rapport au premier trimestre 2024. Même ses actions ont grimpé de 28,77 % depuis le début de l’année, se négociant à 43,78 $ tout en versant un rendement de dividende de 1 %.

Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL) est un autre grand fabricant chinois de batteries qui s’apprête à obtenir l’approbation de la Bourse de Hong Kong pour une introduction en bourse de 5 milliards de dollars, ce qui renforcera sa situation financière et soutiendra ses plans d’expansion.

En dehors de la Chine, le constructeur automobile allemand Volkswagen AG (VOW.DE ) (VOW3.DE ) a également réalisé de grands progrès, déclarant une hausse de 1,4 % de ses livraisons mondiales à 2,13 millions d’unités au premier trimestre 2025. Cette augmentation est tirée par la croissance en Europe et en Amérique, tandis que ses livraisons sur le marché chinois ont diminué de 7,1 %. Malgré cela, les bénéfices d’exploitation devraient être plus faibles en raison d’une baisse du marché américain face aux craintes d’une récession mondiale. L’entreprise prévoit également d’augmenter les prix après l’entrée en vigueur des tarifs automobiles de 25 % de Trump.

En revenant au marché américain, ici, Ford est susceptible de gagner des parts de marché en tant que constructeur automobile américain, qui fabrique la grande majorité de ses voitures domestiquement. Fondée par Henry Ford en 1903, l’entreprise est bien placée pour bénéficier des plans du président Trump. Selon le président Andrew Frick :

« Nous assemblons plus de véhicules américains et employons plus d’ouvriers automobiles horaires américains que tout autre. Nous voulons faire plus, pas moins, ici aux États‑Unis. »

L’entreprise a récemment lancé une offre de remise à durée limitée dans le cadre de la campagne « From America, For America » pour attirer davantage d’acheteurs alors que d’autres fabricants augmentent leurs prix afin de compenser les tarifs accrus.

« Nous disposons de l’inventaire de détail pour le faire et d’un large choix pour les clients qui ont besoin d’un véhicule, » a déclaré Ford dans un communiqué, invoquant les « temps incertains » et les « complexités d’une économie en mutation » comme raisons de cette décision.

Aujourd’hui, avec une capitalisation boursière de 37,7 milliards de dollars, les actions de Ford, au moment de la rédaction, se négocient à 8,91 $, en baisse de seulement 4 % cette année. Ainsi, son BPA (TTM) est de 1,46, le ratio P/E (TTM) est de 6,51 et le ROE (TTM) est de 13,42 %. Elle verse également un rendement de dividende attractif de 6,32 %.

Pour le premier trimestre 2025, Ford a signalé une baisse de 1,3 % de ses ventes aux États‑Unis à 501 291 unités, due à l’arrêt de certains modèles.

Cela survient après que Ford a dépassé les attentes pour le quatrième trimestre 2024, bien que le PDG Jim Farley ait prévu une année plus difficile pour l’entreprise, mais des améliorations sont promises en termes de coûts et de qualité.

Cette année, Ford prévoit que le bénéfice d’exploitation ajusté (EBIT) se situe entre 7 milliards et 8,5 milliards de dollars et que le flux de trésorerie disponible ajusté se situe entre 3,5 milliards et 4,5 milliards de dollars, en supposant des « ventes contraires liées aux facteurs du marché ».

Pour 2024, quant à elle, le chiffre d’affaires total de l’entreprise était de 185 milliards de dollars, le bénéfice net de 5,9 milliards de dollars, soit 1,46 $ de bénéfice par action, et le flux de trésorerie disponible ajusté était de 6,7 milliards de dollars.

Ford réalise également des progrès significatifs sur le marché des VE, avec environ 97 865 véhicules entièrement électriques vendus en 2024, soit une hausse de 35 % d’une année sur l’autre. Ses ventes d’hybrides ont bondi de 40 % à 187 426 unités. Au premier trimestre 2025, ses ventes de VE ont atteint un record de 73 623. Cette croissance de 26 % a été menée par les hybrides, en hausse de 33 %, et les véhicules électriques, en hausse de 12 %.

Conclusion

Les batteries, composant essentiel des VE, ont connu une amélioration significative. Cependant, la technologie des batteries fait encore face à plusieurs défis, tels que les coûts élevés, les pénuries d’approvisionnement en matériaux, l’autonomie limitée, les temps de charge longs, le manque d’infrastructure, les préoccupations de sécurité, ainsi que le recyclage et la gestion des déchets appropriés. 

La dernière étude, grâce à son revêtement stabilisant et à ses canaux microscopiques, aide à résoudre le compromis entre autonomie et vitesse de charge, même à des températures glaciales.

En améliorant considérablement les vitesses de charge, cette étude montre le potentiel de supprimer l’un des principaux obstacles à l’adoption des VE : l’anxiété d’autonomie et les longs temps de charge en hiver. Cela peut aider à accélérer non seulement l’utilisation des VE mais aussi la tendance plus large de l’électrification. Cependant, la mise en œuvre à grande échelle du processus nécessiterait de maintenir la rentabilité et la sécurité.

Dans l’ensemble, à mesure que l’industrie progresse vers des batteries plus rapides, plus efficaces et plus sûres, des innovations comme celle-ci aideront à surmonter les derniers obstacles à une électrification totale, menant à un avenir plus vert et plus propre.

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Études référencées :

1. Cho, T. H., Chen, Y., Liao, D. W., Kazyak, E., Penley, D., Jangid, M. K., & Dasgupta, N. P. (2025). Permettre la charge rapide 6C des batteries Li-ion à des températures sous zéro grâce à l’ingénierie d’interface et aux architectures 3D. Joule, Publié le online 17 mars 2025. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881

2. Chen, K.-H., Namkoong, M. J., Goel, V., Yang, C., Kazemiabnavi, S., Mortuza, S. M., Kazyak, E., Mazumder, J., Thornton, K., Sakamoto, J., & Dasgupta, N. P. (2020). Chargement rapide efficace des batteries lithium-ion rendu possible par des architectures d’anodes en graphite tridimensionnelles gravées au laser. Journal of Power Sources, 471, 228475. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228475