Véhicules électriques, en quête d’une technologie de batterie innovante…
État des lieux
Les performances des batteries des véhicules électriques ont progressé ces dernières années, avec une autonomie accrue et un coût abaissé. Mais au-delà de cette évolution qui va se poursuivre, le secteur cherche encore une innovation de rupture.
Depuis les années 1990, malgré l’amélioration des composants et des procédés de fabrication, les bases de chimie des premières batteries ions lithium n’ont pas évolué. Les chercheurs comme les industriels sont en quête de la super batterie, dont les capacités devraient pouvoir rivaliser avec celles d’un moteur thermique.
À l’heure actuelle, les performances, notamment la densité d'énergie, ont été améliorées par un facteur trois en 25 ans. La progression s'est avérée plus spectaculaire pour le coût, en grande partie grâce à l'industrialisation à grande échelle de la fabrication, au cœur du pari de l'usine géante du constructeur américain Tesla au Nevada.
Pour résumer, le principal problème des batteries actuelles, restent l’autonomie et la vitesse de chargement. Voici le défi technologique, que les chercheurs et les industriels du secteur veulent relever.
Solutions actuelles :
Les véhicules électriques du fait de leurs limitations techniques, ont d’ores et déjà des solutions afin de contourner le problème de l’autonomie et du temps de recharge.
Quelques solutions ont été trouvées comme les prolongateurs thermiques, (voir notre précédent article) ou bien la transformation du véhicule en système fonctionnant sur Pile à Combustibles (PAC). Ces prolongateurs, dont certains fonctionnent au diesel, n’en restent pas moins des systèmes d’assistance.
La véritable rupture viendra de cette technologie tant attendue par les constructeurs, et les automobilistes qui devrait solutionner les deux gros problèmes du véhicule électrique : L’autonomie et le temps de chargement. Cela se traduira par des véhicules électriques affichant une autonomie de 600 à 700 km, et dont les temps de chargement seront très réduits par rapport à aujourd’hui.
Nous allons entrer dans les cinq prochaines années, dans une ère, où l'autonomie deviendra acceptable pour de plus en plus de consommateurs.
En quête d’une technologie révolutionnaire :
La course à la super batterie est ouverte, et de leur côté, les chercheurs continuent à explorer le potentiel des nouvelles technologies. En première ligne les batteries dotées d'un électrolyte solide, et non plus liquide, représentent des candidates sérieuses face aux autres axes de recherche.
Technologie SODIUM-ION
Le sodium-ion fait partie des technologies explorées dans les années 1990, mais finalement délaissées au profit de la technologie lithium-ion qui affichait, à ce moment-là, de meilleures performances. Mais face aux ressources limitées du lithium, les recherches sur la technologie sodium-ion ont repris. Les savoirs faire acquis sur l’ion lithium ont naturellement été transposé au sodium. Les premiers résultats affichés sont très encourageants selon les chercheurs, qui voient là une opportunité d’avenir pour ce type de produit.
Certains composants des éléments ainsi que les procédés de fabrication sont similaires à ceux des batteries Li-ion actuelles. La principale évolution concerne les matériaux actifs des électrodes. La batterie Na-ion pourrait entrer en production d'ici trois ou quatre ans.
L’avantage de cette technologie, est la base de matériaux abondant sur lesquels elle s’appuie, ce qui diminuerait son court global de fabrication et permettrait une production de masse pour le parc automobile mondial. Toutefois, elle ne sera pas en mesure de concurrencer le Li-ion en termes de densité d’énergie (que ce soit par le poids ou le volume). Elle pourrait par exemple être utilisée pour des applications stationnaires pour lesquelles la densité d’énergie n’est pas le critère déterminant. Cela pourrait ainsi concerner le stockage du surplus d'électricité généré par des sources d'énergie renouvelables telles que le solaire ou l’éolien.
Technologie LITHIUM-SOUFRE
Contrairement aux batteries Li-ion où le lithium reste sous forme ionique (Li+), les batteries Li-S possèdent une électrode négative en lithium métallique. Au cours de la décharge, le lithium se dissout à la surface de l'électrode positive après rupture de liaisons chimiques S-S.
Les batteries lithium-soufre pourraient offrir à terme des performances supérieures aux batteries lithium-ion largement utilisées aujourd'hui. En particulier, leur densité d'énergie est potentiellement dix fois plus élevée que celle des batteries Li-ion, avec l'avantage d'une moindre toxicité des matières premières et d'un coût inférieur.
Quelques obstacles techniques restent cependant à franchir : Le soufre étant un très mauvais conducteur, il faut ajouter un matériau conducteur électronique. Mais la stabilité se révèle excellente en comparaison de celle des accumulateurs Li-S conventionnels : 98 % de la capacité initiale est conservée après cinquante cycles.
Une batterie Li-S contient des matières actives très légères : du soufre pour l'électrode positive et du lithium métallique pour l'électrode négative. C'est pourquoi sa densité d’énergie théorique est extrêmement élevée : elle est en effet quatre fois supérieure à celle d'une batterie Li-ion. Elle convient donc parfaitement aux industries aéronautique et spatiale par exemple.
La batterie solide au Graphène, une piste sérieuse :
La technologie de rupture tant attendue, serait-elle à base de Graphène ?. Il semblerait que les percées scientifiques et techniques concernant cette batterie aient suscité l’intérêt des constructeurs automobiles : Une startup chinoise, viendrait de devancer les grands noms travaillant sur le projet tel que BMW et Fisker en déployant une ligne de production de batteries à électrolyte solide. De son côté, le japonais TOYOTA (Qui figurait parmi les constructeurs les plus sceptiques à passer au tout électrique, et se concentrait exclusivement sur le développement de la PAC) vise désormais une stratégie dite « tout horizon » et déploiera soit la voiture électrique soit la voiture hydrogène en fonction du besoin et de l’infrastructure du marché local.
Le Graphène en détail :
Dotées d'une meilleure densité énergétique, de taux de charge bien plus rapide, les batteries à électrolyte solide au graphène sont également bien plus fiables et moins dangereuses, avec une plage de température d'utilisation plus élevée, ce qui est particulièrement important pour les environnements en dessous de 0 °C. En clair : ce type d'accumulateur représente l'avenir, notamment en ce qui concerne les véhicules électriques.
Les chercheurs japonais affirment que désormais leur prototype atteint la même durabilité que les batteries Lithium ion actuelles (1000 cycles de charge/décharge), et de pouvoir doubler la capacité de décharge/charge. Le temps de recharge serait réduit à seulement quelques minutes.
Les enjeux économiques :
Dans ce contexte, face aux grands leaders mondiaux asiatiques (Chine, Corée, Japon), les fabricants européens de batteries s'efforcent de se positionner, à l'image du français Forsee Power, qui vient de démarrer la fabrication en série dans une nouvelle usine près de Poitiers.
En 2018, Bien avant son départ de Renault, le PDG de l'alliance Renault-Nissan-Mitsubishi Carlos Ghosn avait d'ailleurs estimé que l'arrivée prévue des batteries solides constituait une "opportunité pour l'Europe". L’idée était de créer "au moins un champion" du secteur pour contrer l'hégémonie asiatique, d'autant plus que la demande en batteries dépasse actuellement l'offre, selon lui. Point de vue repris par son homologue, Carlos Tavares, PDG de de PSA, qui déclare que : "À l’instar des autres constructeurs Européens, nous sommes de fervents supporters de la création d'un champion européen de la batterie. Il faut se donner les moyens de ne pas détruire le tissu de fournisseurs européen en envoyant à l'extérieur de l'Europe 40 % de la valeur ajoutée des véhicules électriques ! ».
Comme l’a souligné Emmanuel Macron en Février 2019 : « En tant que président de la France, je ne peux pas être satisfait d'une solution où 100 % des batteries de mes voitures électriques sont produites en Asie ». La nécessité de créer un Consortium Européen des batteries est donc une priorité, cet « Airbus des batteries » devrait être en mesure de rivaliser avec les géants asiatiques.
En définitive, malgré les obstacles technologiques encore importants sur le chemin des véhicules tout électrique, l’émergence de nouveaux procédés de conception des batteries permettra d’en optimiser l’usage, la durée de vie et l’autonomie. A terme, durant la décennie des années 2020, les véhicules électriques finiront par se démocratiser, au niveau du prix, et leur autonomie deviendra suffisante pour rivaliser avec les véhicules thermiques. Mais la concurrence asiatique est féroce, et l’Europe va devoir relever ses manches pour rattraper son retard. Le premier constructeur qui parviendra à mettre au point la technologie de cette fameuse super batterie, aura non seulement le monopole du parc automobile mondial, mais également des autres secteurs industriels utilisant ce type de matériel. Le défi à relever est à la hauteur des enjeux.
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