L’Avenir de la Mobilité – Technologie des Batteries

L’essor des VE

Lorsque Tesla (TSLA ) a été fondée en 2003, l’idée des voitures électriques était surtout considérée comme une plaisanterie. À cette époque, chaque voiture électrique était essentiellement une voiturette de golf améliorée, avec une faible autonomie de batterie, un confort limité, une petite taille et une vitesse maximale très basse.

La Tesla Roadster (1^ère génération, comme une nouvelle version est attendue en 2026) a complètement changé cette perception, avec les performances d’une voiture de sport de luxe, rendant les voitures électriques (VE) soudainement attrayantes.

L’élément clé qui a rendu les VE soudainement viables a été les progrès de la technologie des batteries. Au départ, cela reposait sur les batteries lithium-ion conçues pour le petit marché de l’électronique. Puis, des systèmes plus dédiés ont été développés pour offrir aux VE une plus grande autonomie.

Passés d’un faible volume même en 2016, les voitures électriques (VE) constituent aujourd’hui une part en croissance exponentielle des ventes mondiales, avec plus de 10 millions de voitures électriques vendues en 2022, soit 14 % des ventes mondiales, la Chine et l’Europe étant en tête.

Ventes mondiales de VE – Source: IEA

Cependant, malgré ces progrès, certaines questions restent en suspens concernant l’adoption des VE. Les ventes de VE ont ralenti face à la forte inflation et à la nécessité de convaincre le grand public – pas seulement les premiers adoptants. Cela a récemment conduit au report ou à l’annulation de la stratégie VE par les grands constructeurs, tels que GM, Ford ou Honda.

Les Limitations Actuelles

Les premiers passionnés de VE étaient heureux d’utiliser des véhicules pouvant être plus neutres en carbone et représentant une nouvelle technologie. Les acheteurs moins soucieux de l’environnement restent toutefois assez sceptiques à l’égard des VE pour diverses raisons:

• Prix: La plupart des VE coûtent encore plus cher que leur équivalent à moteur à combustion interne (ICE). Avec la hausse des taux d’intérêt, cela peut rendre les VE trop chers pour de nombreuses personnes.
• Anxiété d’autonomie: Une façon de réduire le prix d’un VE est de choisir une batterie de plus petite capacité. Mais alors, une autonomie réduite peut rendre les longs trajets difficiles, et le temps de charge peut également être long.
• Temps froid: Plus le climat est froid, plus les batteries en souffrent. La plupart des VE doivent rester en charge pendant les nuits d’hiver s’ils ne sont pas dans un garage chaud. De plus, le froid réduit l’autonomie théorique des VE.
• Infrastructure de recharge: Les personnes vivant en appartement peuvent avoir du mal à recharger leurs VE s’il n’y a pas suffisamment de stations de recharge publiques disponibles. De longues files d’attente, une recharge lente ou l’absence de stations à proximité peuvent rendre l’expérience désagréable.
• Sécurité et durabilité des batteries: Les batteries lithium-ion stockent beaucoup d’énergie. Et les électrolytes de la batterie sont très inflammables. Cela fait des batteries un risque potentiel pour la sécurité, surtout dans des environnements fermés comme les parkings souterrains. Ce n’est pas que les voitures à moteur à combustion interne sont non inflammables, mais c’est tout de même une préoccupation.
• Réseau électrique: Bien que ce ne soit pas vraiment une préoccupation pour les acheteurs de VE, cela peut devenir un problème pour le secteur dans son ensemble. Les réseaux électriques sont déjà quelque peu sous tension, et pourraient ne pas supporter des millions de véhicules nécessitant une recharge. La source de l’électricité est également un problème, une grande partie provenant de combustibles fossiles, dont le charbon.

La plupart des problèmes des VE actuels peuvent être résolus avec de meilleures batteries. Une charge lente, une autonomie trop faible, des problèmes de sécurité, la sensibilité au froid et même le prix sont tous des caractéristiques des batteries lithium-ion actuelles.

Les chercheurs et les leaders de l’industrie travaillent d’arrache-pied pour résoudre ces lacunes, soit en améliorant la conception existante, soit en inventant de nouvelles façons de fabriquer des batteries.

Dans l’ensemble, des batteries plus denses signifient des batteries moins chères, plus sûres et qui sont également plus susceptibles de durer plus longtemps et de se recharger plus rapidement.

Améliorer les Batteries au Lithium

La première étape consiste à améliorer les batteries existantes et à capitaliser sur la richesse de connaissances et d’expérience liées à cette technologie. Certains chercheurs estiment que la génération actuelle de batteries peut encore être améliorée de façon incrémentale jusqu’en 2030: “Perspectives pour les batteries lithium-ion et au-delà — une vision 2030”.

La première partie consiste à améliorer la cathode des batteries, qui est actuellement principalement composée de lithium et de nickel dans les batteries lithium-ion. Une compréhension plus approfondie de la structure cristalline et des changements chimiques lors du vieillissement d’une batterie pourrait améliorer toutes les spécifications des batteries.

Les anodes, actuellement en graphite, pourraient être remplacées par du silicium ou de l’oxyde de silicium 5 à 10 fois plus dense en énergie. Cela a jusqu’à présent été difficile, car les anodes en silicium ont tendance à « vieillir » trop rapidement. Les mélanges graphite-silicium deviennent déjà plus courants et pourraient aider à augmenter l’énergie totale des batteries.

Modifier les électrolytes qui relient l’anode et la cathode pourrait également aider. De nouveaux types de solvants liquides, des électrolytes plus concentrés, voire même des électrolytes de type gel, pourraient améliorer le profil de sécurité et augmenter la densité des batteries.

Enfin, un meilleur design est une option pour optimiser la relation entre les batteries et les VE. De nombreux constructeurs de VE commencent à utiliser ce que l’on appelle des batteries structurelles qui sont à la fois des systèmes de stockage d’énergie et des composants structurels du véhicule. Cela peut réduire le poids total de la voiture, entraînant plus d’efficacité et d’autonomie. Rolls-Royce (RRU.DE ), Tesla et Volvo travaillent déjà sur cette idée, qui pourrait augmenter l’autonomie de 16 %.

Batteries à État Solide

Longuement théorisées et lentement concrétisées dans les laboratoires, les batteries à état solide sont souvent décrites comme le Saint Graal de la technologie des batteries.

L’idée est de supprimer entièrement le besoin d’électrolytes liquides, réduisant ainsi considérablement le poids de la batterie et augmentant fortement sa densité. Supprimer l’électrolyte inflammable devrait rendre la batterie beaucoup plus sûre. Supprimer l’électrolyte devrait également simplifier le processus de production ; supprimer jusqu’à 3 semaines sur la chaîne de fabrication.

Enfin, ces conceptions promettent une recharge quasi complète en 3 à 5 minutes, soit à peu près le même temps que le ravitaillement d’une voiture à essence.

De nombreuses entreprises envisagent de lancer leur propre version de batteries à état solide dès 2026-2029. Cela inclut QuantumScape (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) et Samsung SDI (006400.KS). Pour l’instant, Tesla (TSLA) travaille sur sa propre alternative aux batteries à état solide, les cellules de batterie 4680 basées sur la technologie lithium-ion.

Problèmes des Batteries à État Solide

Le développement des batteries à état solide a été entravé par les difficultés à passer des prototypes de laboratoire à la production de masse. Une production fiable, automatisée et à faible coût est encore en cours de développement, et le calendrier d’arrivée sur le marché des batteries à état solide se situe probablement entre 2026 et 2028 au mieux.

Source: Vertex Holdings

Enfin, les batteries à état solide utiliseront beaucoup plus de lithium que les batteries lithium-ion actuelles, ce qui pourrait entraîner une nouvelle flambée des prix du lithium comme en 2022, où il a augmenté de 10 fois en 2 ans. Le recyclage pourrait également être difficile.

“Batteries condensées”

Peut-être n’avons-nous pas besoin d’attendre les batteries à état solide pour voir des batteries très denses. CATL a annoncé la création d’une batterie « condensed matter », capable d’atteindre 500 Wh/kg. L’entreprise affirme également la possibilité d’atteindre la production de masse dans un court délai, ce qui, venant du leader du secteur et non d’une petite start‑up, semble crédible.

Il s’agit d’un niveau de densité auparavant considéré comme réalisable uniquement par les batteries à état solide. C’est également le niveau requis pour commencer à envisager les avions électriques et d’autres applications qui jusqu’à présent étaient impossibles à électrifier.

Chimies Alternatives de Batteries

Il existe de nombreuses alternatives possibles au lithium-ion pour créer une batterie. Mais seules quelques chimies de batterie possèdent le bon mélange de légèreté, haute densité et sécurité pour être adaptées aux applications mobiles.

À long terme, certaines de ces batteries alternatives pourraient même remplacer les batteries au lithium plus coûteuses, du moins sur le marché automobile de masse sensible aux prix.

Batteries Lithium-Fer (Phosphate) – LFP

Les batteries LFP ont longtemps été exclues des applications de mobilité en raison d’une densité énergétique trop faible, généralement 30‑40 % inférieure à celle d’une batterie lithium-ion classique. La dernière version de cette chimie atteint désormais le niveau de densité des batteries lithium-ion de génération précédente, les rendant viables pour les véhicules à bas coût.

Un grand avantage du LFP est qu’il ne nécessite ni nickel ni cobalt, tous deux responsables du prix des batteries lithium-ion classiques. En revanche, le fer et le phosphate sont abondants et bon marché. Les LFP sont également plus susceptibles de durer plus longtemps, réduisant davantage le coût total de vie du système de batterie.

Le principal fabricant de LFP est le chinois CATL (300750.SZ), accompagné de BYD (BYDDF), même si l’entreprise explore désormais d’autres options pour conserver sa position de fabricant de la moitié des batteries mondiales.

Néanmoins, le marché du LFP ne passe pas inaperçu après la révélation en août 2023 d’une batterie LFP de 700 kilomètres capable de recharger 400 km d’autonomie en seulement 10 minutes.

Sodium-Ion

Outre le cobalt et le nickel, le lithium est l’autre ressource coûteuse clé utilisée dans les lithium-ion. En revanche, le sodium est extrêmement abondant et bon marché et beaucoup moins susceptible de connaître des pénuries régulières comme le lithium.

Le principal constructeur automobile chinois, BYD, a annoncé son intention d’utiliser des batteries sodium-ion pour ses nouveaux modèles à bas prix Dolphin et Seagull, le Seagull pouvant coûter environ 10 000 $ (malheureusement, uniquement en Chine).

Cela fait suite à l’annonce d’une batterie sodium-ion à haute densité par CATL en 2021. En novembre 2023, le fabricant européen Northvolt a annoncé une percée dans le sodium-ion, atteignant la même densité énergétique de 160 watt-heures par kilogramme que CATL.

Bien qu’un peu moins dense en énergie que le LFP et bien moins que le lithium-ion, le sodium-ion pourrait conquérir le marché de masse grâce à un prix BEAUCOUP moins cher, potentiellement un tiers du prix des batteries actuelles utilisant du nickel.

Autres Chimies

Bien qu’il serait trop long d’examiner chacune d’elles, il existe plusieurs autres chimies potentielles qui pourraient un jour devenir de sérieux concurrents pour les batteries utilisées dans les applications de mobilité. Mais ces technologies sont à un stade plus précoce, rendant leur adoption dans les VE peu probable à court terme.

Batteries en verre

Une idée intrigante, utilisant uniquement des matériaux très abondants, que d’autres chercheurs peinent pour l’instant à reproduire dans leurs propres laboratoires. Mais étant donné que cette idée est soutenue par M. Goodenough, l’inventeur de la batterie lithium-ion, elle ne doit pas être écartée non plus (malheureusement, M. Goodenough est décédé à l’été 2023).

Batteries au graphène

Le graphène, une couche unique d’atomes de carbone, est extrêmement conducteur. L’entreprise Graphene Manufacturing Group (GMG.V) pousse pour des batteries graphène/aluminium, qui pourraient offrir une densité supérieure à celle du lithium-ion tout en se rechargeant 70 fois plus rapidement et durer 3 fois plus longtemps. L’entreprise collabore avec le géant minier (et mineur de graphite) Rio Tinto pour lancer une production à grande échelle d’ici 2025 (RIO ).

Batteries Hydrogène-Manganèse

Ces batteries utiliseraient du magnésium pour remplacer le lithium. Ce type de batterie a été décrit comme « quasi à état solide » et pourrait fonctionner à des températures beaucoup plus basses, jusqu’à -22 °C (- 7 °F).

Batteries Lithium‑Soufre

Ces batteries utiliseraient du lithium et du soufre à la place du cobalt et du nickel coûteux. Même à ce stade précoce, elles affichent une densité énergétique remarquablement élevée. Elles ont toutefois été affectées par des problèmes de durabilité et devront devenir beaucoup plus robustes pour constituer une bonne alternative aux chimies existantes.

Source: Vertex Holdings

Batteries Sodium‑Soufre

Ces batteries ont jusqu’à présent été limitées à des applications où la batterie était maintenue à haute température (300 °C). Cependant, de nouveaux électrolytes empêchant la dissolution du soufre pourraient éliminer cette exigence. Ainsi, cela pourrait devenir une nouvelle voie pour obtenir des batteries puissantes et bon marché.

Batteries Aluminium‑Ion

Cette technologie remplace l’anode en lithium par une anode en aluminium. En utilisant un remplacement polymère du graphite, ces batteries pourraient atteindre une capacité de stockage élevée.

Aluminium‑Air

Ces « batteries » fonctionnent en consommant de l’aluminium comme un carburant, offrant au VE qui l’utilise une autonomie supérieure à celle d’une voiture à carburant (1 600 km par réservoir), avec une densité énergétique bien plus élevée que le lithium-ion (1 350 W/kg). Cela en fait également une source d’électricité potentielle pour les avions électriques.

L’aluminium consommé peut ensuite être remplacé par de l’aluminium neuf en 90 secondes, et le « carburant » usé est recyclé. Cette technologie pourrait également être combinée avec des VE plus anciens pour leur redonner davantage d’autonomie.

Actuellement, la principale limite au développement de cette technologie semble être son manque de soutien public, n’étant ni une véritable batterie, ni une pile à combustible, ni basée sur l’hydrogène, ce qui la rend inéligible aux soutiens des politiques vertes existantes.