Développement de nouvelles batteries pour les voitures électriques

Le système de batterie d'une voiture électrique représente près de 40 % du coût du véhicule. De plus, il pèse souvent 600 kilos et plus. Le développement du stockage de l'électricité est donc d'une importance capitale pour l'avenir de l'électromobilité.

La Chine continue de dominer le marché et toute la chaîne de création de valeur des batteries au lithium-ion. Bien que le domaine de la recherche sur les batteries soit actuellement plus dynamique que jamais, les États-Unis et l'Europe ont du mal à se défaire de cette dépendance. Des recherches intensives sont actuellement menées dans le monde entier sur les batteries à l'état solide et sur de nombreux nouveaux systèmes de batteries.

Malgré tout, la batterie lithium-ion restera la technologie dominante dans les années à venir. Le lithium, le cobalt, le nickel, le manganèse et le graphite restent donc pour l'instant irremplaçables pour la fabrication de cellules de batteries. À l'heure actuelle, il ne faut pas s'attendre à des avancées rapides et importantes en matière de développement.

Actuellement, le graphite est utilisé comme matériau actif dans les anodes des cellules lithium-ion, ce qui représente un poids d'environ 60 kg à bord de la voiture. Depuis quelque temps, une petite quantité de silicium est ajoutée au graphite à titre expérimental. Cela permet de stocker plus d'énergie. Toutefois, le silicium change de volume lorsqu'il est chargé et déchargé.

Cette « respiration » entraîne des tensions mécaniques qui nuisent à la durée de vie de la cellule. Pour la cathode, on travaille notamment au remplacement du cobalt par du manganèse, moins cher, et par une plus grande proportion de nickel.

La tendance aux cellules LFP est frappante. L'utilisation de phosphate de fer et de lithium dans la cathode a certes pour conséquence que ces cellules ne peuvent pas tout à fait rivaliser avec les batteries NMC (nickel, manganèse, cobalt) en termes d'autonomie et de puissance de charge. En revanche, elles sont moins chères et ont tendance à durer plus longtemps. Les cellules LFP actuelles ont une densité énergétique d'environ 200 Wh/kg, soit environ 20 % de moins que les cellules NMC.

Dans la pile solide, l'électrolyte liquide est remplacé par des électrolytes semi-solides ou solides. En principe, ces systèmes apportent des densités énergétiques plus élevées et des temps de charge plus courts. De plus, ils sont également plus sûrs en raison du risque d'incendie plus faible. Les systèmes à l'état solide utilisent toutefois en grande partie les mêmes substances chimiques que les batteries lithium-ion traditionnelles et sont donc soumis aux mêmes restrictions en ce qui concerne les matières premières. Pour des raisons de coûts, les matériaux LFP sont également intéressants dans les accumulateurs à l'état solide. Trois groupes de matériaux entrent actuellement en ligne de compte comme électrolytes solides : les électrolytes à base d'oxyde, de sulfure et de polymère.

L'industrialisation de cette technologie reste problématique, car il faut surmonter des obstacles tant techniques que financiers. Le matériau de l'électrolyte a tendance à gonfler et à se fissurer avec l'augmentation du nombre de cycles de charge. De plus, la batterie à l'état solide nécessite plus de lithium par kilowattheure qu'une batterie Li-ion conventionnelle, elle est donc plus dépendante du prix du lithium.

Outre la batterie lithium-ion, d'autres systèmes métal-ion sont actuellement à l'étude. Les favoris sont les batteries sodium-ion et aluminium-ion. Dans le nouveau projet Sodium-Ion-Battery, abrégé SIB : DE, l'Institut Fraunhofer étudie par exemple les propriétés des batteries sodium-ion. Contrairement au lithium, le sodium est une matière première bon marché, facilement disponible et sûre. Alors que le lithium est généralement fourni par des entreprises asiatiques, les systèmes sodium-ion peuvent réduire cette dépendance.

Dans le cadre du projet SIB : DE, des cellules sont développées qui peuvent être transférées dans les processus de production existants pour les batteries lithium-ion. Les systèmes sodium-ion sont considérés comme ayant un grand potentiel, car ils sont particulièrement sûrs, peu coûteux et durables.

Dans les batteries métal-air, l'énergie électrique est libérée par la réaction chimique des métaux avec l'oxygène. Des recherches intensives sont actuellement menées pour réaliser des batteries lithium-air. En raison de leur grand potentiel électrochimique, ces systèmes présentent une densité énergétique élevée. Ils permettraient d'améliorer considérablement l'autonomie des voitures électriques actuelles.

Cependant, la technique supplémentaire nécessaire pour purifier l'air réduirait à nouveau la densité énergétique à environ 1'000 Wh/kg. Actuellement, on atteint des densités énergétiques de 800 Wh/kg.

Les batteries sodium-air sont également à l'étude. Dans ce cas, la densité énergétique théoriquement réalisable est environ deux fois plus faible. En raison de la disponibilité facile et peu coûteuse du sodium, ces systèmes représentent néanmoins une alternative intéressante, mais plutôt pour des applications stationnaires. Ce n'est que depuis peu que les scientifiques se penchent également sur les batteries silicium-air, notamment parce que les matières premières sont disponibles en grande quantité.

Texte Stephan Hauri / Images zVg