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Avancée technologique

Une équipe internationale résout le mystère du stockage des batteries au lithium-ion et voilà pourquoi c’est une avancée majeure

Publié le 10 septembre 2020
Des chercheurs de l'université du Texas ont tenté d'en savoir plus sur un groupe d'oxydes métalliques prometteurs en tant que matériaux clés pour la prochaine génération de batteries lithium-ion en raison de leur mystérieuse capacité à stocker beaucoup plus d'énergie.
Jean-Pierre Corniou
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Jean-Pierre Corniou est directeur général adjoint du cabinet de conseil Sia Partners. Il est l'auteur de "1,2 milliards d’automobiles, 7 milliards de terriens, la cohabitation est-elle possible ?" (2012).
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Des chercheurs de l'université du Texas ont tenté d'en savoir plus sur un groupe d'oxydes métalliques prometteurs en tant que matériaux clés pour la prochaine génération de batteries lithium-ion en raison de leur mystérieuse capacité à stocker beaucoup plus d'énergie.

Atlantico.fr : La concurrence sur les batteries est-elle devenue centrale pour le marché de la voiture électrique ?

Jean-Pierre Corniou : Dix ans après les premiers lancements de voitures électriques, à la suite de la crise de 2008, le marché mondial du véhicule électrique est en train d’acquérir une masse critique qui représente désormais une inflexion significative dans l’histoire de l’automobile. Ce sont deux millions de VE qui ont été immatriculés en 2019, dont 50% en Chine, qui a fait des NEV (New Energy Vehicules) la priorité absolue de sa stratégie automobile. La Chine dispose de 45 % du parc mondial de véhicules électriques, l’Europe  24% et les Etats-Unis 22 %. Si le pourcentage de ventes est encore marginal sur les 90 millions de véhicules vendus annuellement, la croissance annuelle est spectaculaire. 

La voiture électrique est devenue un phénomène incontournable. D’une part, le parc de véhicules électriques devient désormais visible dans la rue et le marché de l’occasion de voiture électrique, qui représente généralement la première marche d’accès à la voiture individuelle, commence à être actif. D’autre part, le nombre de nouveaux véhicules proposé par les constructeurs est en croissance rapide. Cette offre se diversifie et s’étend progressivement sur la gamme complète des véhicules, des plus petits comme l’AMI de Citroën, vendue 6 000 €, aux plus luxueux comme la Porsche Taycan, qui démarre à 108 000 €. Les voitures électriques ont représenté 4,3% des ventes européennes au premier trimestre 2020.

Mais dans ce processus d’électrification se dessinent trois courants concurrents selon le mode de production et de stockage de l’énergie électrique. La voiture électrique à batteries (VEB) représente la catégorie la plus importante en volume. Son autonomie, longtemps limitée autour de 250 kilomètres, est désormais proposée autour de 400 km et peut atteindre 600 km pour les modèles haut de gamme. Les perfectionnements des batteries lithium-ion sont à l’origine de ces progrès. La voiture hybride rechargeable se présente comme une étape rassurante pour les clients en offrant une autonomie électrique de l’ordre de 50 kilomètres, suffisante pour les parcours quotidiens, et la sécurité d’un moteur thermique optimisé pour les plus longs parcours. Enfin, la voiture électrique à pile à combustible, qui produit à bord l’électricité qui lui est nécessaire à partir d’hydrogène, est une solution qui présente l’avantage d’une autonomie et d’un mode de fonctionnement similaire aux véhicules thermiques puisqu’il s’agit de recharger le réservoir d’hydrogène en quelques minutes dans un poste spécialisé pour acquérir une autonomie de 600 km.

Que nous révèlent ces travaux et ces recherches sur la technologie des batteries

Pour répondre aux besoins d’un marché où l’on estime que, d’ici la fin de la décennie, plus de la moitié du parc de véhicules neufs sera électrique, soit environ 40 millions de véhicules par an, l’enjeu technologique est considérable. Le marché explore ces trois solutions de production et de stockage à bord d’énergie électrique s avec une avance très nette en maturité pour les véhicules à batteries. Les batteries peuvent être rechargées sur une prise électrique, ce qui est un objet courant, ou sur des bornes de recharge dédiées aux VE, dont le réseau se développe rapidement partout. 

La compétition se fait sur tous les paramètres de la batterie : poids, durée de vie, capacité, prix. Mais c’est l’autonomie qui est le plus visible, car c’est elle qui conditionne le plus directement l’agrément d’usage. C’est le facteur majeur qui a bloqué le marché du véhicule électrique dès l’origine de l’automobile à la fin du XIXe siècle. Les piètres performances des batteries au plomb ont laissé le champ libre à 110 ans de triomphe du moteur à combustion interne. Les constructeurs cherchent aussi à proposer des véhicules dont la vitesse de rechargement est la plus rapide, de quelques minutes pour l’hydrogène à plusieurs heures pour les VEB. 

Toutefois, au-delà des aspects techniques, ce sont les dimensions environnementales qui prennent une place majeure dans cette compétition. Les véhicules électriques à batteries sont critiqués car ils embarquent des matériaux, comme le lithium ou le titane, dont les conditions d’exploitation posent problème sur le plan environnemental et social. Le lithium est aussi susceptible de prendre feu dans certaines conditions. Leur caractère vertueux est mis en doute ce qui entache la réputation des véhicules à batteries, qui certes ne produisent pas d’émission au lieu d’usage, mais dont les batteries sont issues d’un processus de production perfectible. Tous les constructeurs, tous les fournisseurs de batteries, dominés par les quatre asiatiques que sont les chinois BYD et CATL, le coréen LG et le japonais Panasonic, cherchent la combinaison optimale entre le coût de production, l’autonomie, le poids, la puissance, le nombre de cycles de recharge, la recyclabilité, autant de performances qui doivent être acquises avec un processus de production le plus vertueux possible sur le plan environnemental et social. En particulier, ils cherchent à éliminer le cobalt, qui coûte 28 000 $ la tonne et est produit dans des conditions critiquées en République Démocratique du Congo qui possède 50% des réserves mondiales. Tesla s’est engagé dans ce processus de réduction du cobalt, composant essentiel de la cathode,  et est parvenu à en réduire l’usage de 60% depuis six ans.

Les budgets de recherche sont considérables, la compétition intense, et les annonces de pistes nouvelles par les laboratoires de recherche sont quasi-quotidiennes. Mais entre ces annonces et la production de masse, il se passe plusieurs années. Les recherches portent sur la chimie de l’électrolyte et la composition métallique de l’anode et de la cathode.  C’est un équilibre complexe qu’il faut parvenir à obtenir dans le comportement de chacun de ces composants et dans leurs interactions. Or la connaissance de ces interactions est encore imparfaite. 

Les découvertes annoncées par l’Université du Texas à Austin portent  précisément sur la capacité de certains oxydes métalliques, qui se forment dans les processus électrochimiques, de stocker une haute densité d’électrons. Or c’est bien le but de la recherche fondamentale d’explorer l’ensemble des possibilités de stockage d’électrons, sous des formes diverses, au cœur même de la matière . Mais nous sommes là encore très loin d’applications industrielles. 

En effet, il faut aussi soumettre les solutions de laboratoire au défi de la production de masse et d’un usage intensif dans des conditions climatiques très variables. Enfin, la maîtrise du prix de revient est essentielle car le succès à long terme du véhicule électrique ne peut être conditionné par l’octroi d’abondantes subventions publiques. Or on voit, même en Chine, que toute baisse de la subvention à l’achat se traduit par une baisse de la demande au moment où le prix du pétrole oscille entre 30 et 40 € le baril.

Aussi, à côté de leurs recherches fondamentales, les chercheurs de l’Université du Texas, très actifs dans le domaine des batteries,  s’intéressent également aux solutions commerciales de court terme. Ils ont présenté une solution qui semble rassembler beaucoup d’atouts. Cette batterie à métal liquide peut fonctionner à température ambiante (20° C), et dispose d’une anode dans un alliage de sodium et de potassium (Na-K) et une cathode en gallium (Ga). Mais les experts reconnaissent que ces travaux prendront encore du temps et que la décennie sera encore dominée par la batterie lithium-ion et ses composants actuels.

Pouvons-nous espérer une application de cette découverte pour les batteries du futur et pour la vie quotidienne ? Cette avancée va-t-elle réellement révolutionner le monde de la batterie et de l'énergie ?

On pourrait facilement résumer les enjeux énergétiques du XXIe siècle autour de la problématique du stockage. C’est la question centrale de l’utilisation des énergies renouvelables, ou discontinues, qui appelle des solutions de stockage stationnaire, et bien évidemment le problème quotidien de tous ceux qui utilisent des objets électriques mobiles, du smartphone aux ordinateurs, de l’outillage électro-portatif aux vélos et à l’automobile.   Stocker l’électricité produite quand il est facile et peu onéreux de le faire pour l’utiliser à tout moment est bien évidemment l’objectif ultime de tous les producteurs et de tous les utilisateurs. Les batteries sont le maillon central de cette chaîne entre la production et l’usage.  Tesla qui aborde le problème de l’énergie électrique sous tous ses aspects, de la production avec les panneaux solaires à la mobilité avec sa gamme de véhicules particuliers et utilitaires, a aussi mis en place des solutions de stockage stationnaire. Le plus grand système mondial de stockage a été installé en Australie par Tesla avec des batteries lithium-ion d’une puissance de 100 MW. Tesla a également récemment annoncé être en mesure de produire une batterie capable de parcourir un million de miles. La durée de vie, et le nombre de cycles,  aussi un élément clef de la compétition.

On peut constater qu’il n’y a pas de solution unique. Les réponses sont et seront variées dans le futur ce qui ouvre un champ prometteur pour la recherche et les start-up. Une nouvelle économie de l’énergie est à bâtir. Le stockage de l’électricité va en être un des enjeux majeurs. L’accessibilité pour tous du véhicule électrique est un des terrains de cette course mais s’inscrit dans une révolution plus globale de l’énergie et de l‘électromobilité.

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Commentaires (6)
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Le gorille
- 11/09/2020 - 20:32
Merci pour le site cité dans le premier commentaire
Ce site donne des arguments précis pour refroidir les hystéries électriques ! Dans les deux sens d'ailleurs, que ce soit les "pour" ou les "contre" : les arguments développés s'imposent aux deux partis, et chacun peut asseoir posément son propre jugement.
Le gorille
- 11/09/2020 - 20:12
@Tuxibray
Je souhaite nuancer votre conclusion concernant le poids mort. S'il est vrai que la batterie pèse lourd, dans une voiture électrique il n'y a pas le moteur à combustion interne, lequel pèse lourd aussi dans les voitures "traditionnelles". Aussi pour être juste faut-il faire la différence. Je ne suis pas arrivé à trouver des modèles exactement comparables, mais en partant de la Rav4 d'un côté (moteur et hybride), de la Ioniq de l'autre (hybride et électrique), j'en arrive à modérer votre conclusion. La différence est moindre que ce que vous dites, sans pouvoir la chiffrer exactement. Il reste que la solution hybride, voire rechargeable, apporte un compromis que je trouve aussi acceptable... et surtout agréable !
tubixray
- 11/09/2020 - 10:16
Rappel de principe
Un véhicule électrique de Tesla à Zoé, pour ne parler que de l'énergie nécessaire à sa propulsion, peut être qualifié "0 émissions carbone" en France (ou si peu, merci le nucléaire), 50 % charbon en Allemagne, 100 % charbon en Pologne pour ne parler que des extrêmes.
D'autre part, du fait d'un poids mort de 500 kg à trainer en permanence, son bilan énergétique est catastrophique.
L'hybridation même légère présente un compromis plus pertinent.