Voitures électriques : quels avantages pour quel type de chimie pour la batterie ?

Les voitures électriques se vendent de mieux en mieux. Probablement moins parce que les automobilistes s’y intéressent que parce qu’ils sont obligés d’acquérir ces véhicules, surtout si cette voiture s’inscrit dans un cadre professionnel et qu’il s’agit de continuer à bénéficier d’une déductibilité fiscale optimale.

Cela dit, toutes les voitures électriques ne se valent pas. C’est vrai en terme de look, d’équipements, de confort, mais aussi… de batterie. Car il n’existe pas une, mais bien des technologies batterie qui restituent, selon les cas, des prestations très différentes. Mieux vaut donc être conscient de ces différences. Nous abordons ici les technologies qui sont commercialisées aujourd’hui ainsi que les quelques-unes qui sont sur le point d’arriver.

Lithium-ion NMC et NCA

Aujourd’hui, toutes les voitures électriques utilisent des batteries de type lithium-ion, mais dont les compositions peuvent varier. Les deux variantes les plus répandues de ces batterie lithium-ion sont les NMC (nickel-manganèse-cobalt) et la NCA (nickel-cobalt-aluminium) qui, c’est marqué, recourent à du cobalt dans leur composition. En particulier, le cobalt est utilisé ici pour la cathode qui est la partie de la cellule qui détermine sa capacité. Pourquoi utiliser du cobalt ? Tout simplement parce que sa densité énergétique est excellente (soit ne nombre de Wh/kg) tandis que le système de gestion de la batterie (BMS) s’avère bien plus précis quant au niveau de charge restant.

Les batteries NMC et NCA sont aussi utilisées pour les voitures électriques plus sportives, car elles sont plus à même de délivrer leur capacité à haute température. C’est d’ailleurs pour cette raison que Tesla utilise cette technologie pour la Model S Plaid.

Mais le cobalt soulève toutefois plusieurs questions. En effet, son exploitation est plus onéreuse que celle d’autres minerais (deux fois plus cher que le nickel, quinze fois plus cher que l’aluminium et mille fois plus que le manganèse) tandis que son extraction se fait aussi essentiellement au Congo dans des conditions environnementales et éthiques discutables. C’est pourquoi les constructeurs tendent à renoncer de plus en plus au cobalt dans leurs chimie, notamment au profit d’une cathode à base de lithium-fer-phosphate.

Lithium-fer-phosphate

Pour s’affranchir du cobalt, les producteurs de batteries et les constructeurs ont cherché d’autres solutions qu’ils ont notamment pu trouver dans les cathodes LFP ou lithium-fer-phosphate (LiFePO4). C’est clairement la technologie qui a le vent en poupe actuellement, car elle permet de réduire notablement le prix d’un pack (de 30 à 40%) qui reste l’élément le plus cher d’une voiture électrique, en évitant le recourt au cobalt notamment.

Outre un prix plus doux, la technologie LFP se signale aussi par une très belle longévité par rapport aux packs NMC et NCA. Selon plusieurs études, le nombre de cycles efficients de charges et décharges seraient quatre fois plus élevé. C’est évidemment énorme. C’est ce qui permet aux constructeurs de rassurer la clientèle en offrant parfois jusque 8 ans et 1 million de kilomètres parcourus. Là encore, les études tendant à démontrer le peu de retours en garantie de ces packs de batterie. Et ce n’est pas  tout : un autre avantage du pack LFP, c’est sa stabilité et son risque d’incendie réduit par rapport aux chimies NMC et NCA, ce qui est aussi de nature à rassurer le client. Enfin, toujours pour faciliter la vie de l’automobiliste, il ne faut pas de soucier du taux de recharge. Ainsi, là où un pack NMC ou NCA demande de ne pas être rechargé à plus de 90% pour éviter sa dégradation, un pack LFP peut être rechargé à 100% sans que cela n’ait une incidence négative. Pratique, mais aussi nécessaire, car sans cathode avec du cobalt comme explicité plus haut, une mesure précise de la batterie (BMS) n’est possible de manière fiable qu’après une recharge à 100%.

Cela dit, la technologie LFP présente toutefois quelques limites. Notamment en terme de densité énergétique. Celle-ci est en effet moindre de 15 à 25% que pour les packs NMC ou NCA. De ce fait, cette technologie est beaucoup utilisée pour des produits d’appel, comme le modèle de base de la Tesla Model 3, de la MG 4 et, bientôt, de la Citroën ë-C3. Autre revers : le poids plus important de la batterie LFP pour obtenir une autonomie correcte (commercialement), ce qui pèse aussi sur les performances du véhicule, tant pour l’autonomie que pour les performances chronométrées. Voilà pourquoi le Tesla Model S Plaid n’utilise pas la technologie LFP.

Enfin, les cellules LFP n’apprécient pas du tout le froid et, dans ces conditions, elles perdent rapidement en performances tandis qu’elles sont aussi plus « fainéantes » pour les recharges rapides. C’est d’ailleurs la raison pour laquelle Tesla déclenche systématiquement un préchauffage de la batterie LFP à l’approche d’une borne de recharge rapide – pour autant que celle-ci soit programmée dans la navigation. Enfin, si la voiture électrique est bonne pour l’environnement, elle n’est toutefois moins avec une batterie LFP dont la filière de recyclage n’est pas développée. Et elle risque de ne pas l’être, car pour les industriels le processus de recyclage est plus complexe à mettre en œuvre et que la rentabilité n’est pas au rendez-vous.

Pour en terminer avec cette technologie LFP, il faut encore savoir qu’il existe des « chimies parallèles » qui ajoutent dans la recette du manganèse, une technique qui permet d’améliorer la densité énergétique. Une bonne évolution qui fait d’autant plus sens que le manganèse est peu coûteux.

L’avenir aux chimies solides et semi-solides

L’avenir ? C’est évidemment la batterie solide dans laquelle l’électrolyte liquide est remplacé par un composé inorganique solide. Nous en avons déjà parlé longuement. Dans ce schéma, les ions ne se déplacent plus de l’anode à la cathode en réchauffant un liquide, ce qui limite drastiquement la probabilité d’incendie. Il en découle une sécurité accrue et donc une densité énergétique améliorée (doublée même) tout comme des puissances de charge augmentées.

À autonomie égale, l’espace nécessaire à la batterie est donc réduit, tout comme le poids. Évidemment, parce qu’elle est émergente (un seul modèle l’utilise actuellement), cette technologie reste coûteuse, aussi parce qu’elle exige des conditions de production très strictes (environnement parfaitement contrôlé).

Il existe encore un entre-deux : la batterie semi-solide, dont l’électrolyte est toujours liquide, mais qui n’utilise pas de liant ce qui permet d’offrir une meilleure densité énergétique, comme c’est le cas pour le Nio ET7.

Le lithium, élément commun

Voilà ce qui existe actuellement au niveau des technologies batterie. On remarquera qu’il existe un élément commun à toutes ces chimies : le lithium dont la production est actuellement limitée (pas suffisamment de mines et de projets d’extraction), ce qui laisse avec de potentielles perspectives de pénuries si la demande pour les voitures électriques devait exploser. En outre, la production de lithium est écologiquement compliquée, car elle est très gourmande en eau.

C’est pour cette raison que les recherches se concentrent aujourd’hui sur le remplacement de ce lithium par du sodium. Dans cette optique, des batteries sodium-ion sont à l’étude et dont les cathodes et les anodes allient du sodium en lieu et place du lithium. Pour les constructeurs, c’est une nouvelle aubaine, car le sodium est nettement plus disponible sur terre que le lithium (entre trois cent et mille fois plus abondant), ce qui permettrait une nouvelle fois de réduire les coûts, même si le sodium est moins dense d’un point de vue énergétique – deux fois moins importante. Mais on imagine que cela ne sera que temporaire, le temps que les recherches progressent encore.

Avantages et inconvénients des différentes chimies en un coup d’œil

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