L’avenir de la mobilité – Battery Tech

L’essor des véhicules électriques

Lorsque Tesla 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 glorifiée avec une faible autonomie de batterie, un faible confort, une petite taille et une vitesse de pointe très faible.

Le Roadster Tesla (1^st 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 cool.

L’élément clé qui a rendu les véhicules électriques soudainement viables a été le progrès de la technologie des batteries. Au début, cela reposait sur des batteries lithium-ion conçues pour le petit marché de l’électronique. Et bientôt, des systèmes plus dédiés ont été développés pour donner plus d’autonomie aux véhicules électriques.

D'un faible volume même en 2016, les voitures électriques (VE) représentent désormais 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 en tête.

Ventes mondiales de véhicules électriques – Source : AIE

Malgré ces progrès, certaines questions restent ouvertes quant à l’adoption des véhicules électriques. Les ventes de véhicules électriques ont ralenti face à une inflation élevée et à la nécessité de convaincre le grand public, et pas seulement les premiers utilisateurs. Cela a récemment conduit à le report ou l'annulation de la stratégie EV par les grands constructeurs, tels que GM, Ford ou Honda.

Les limites actuelles

Les premiers passionnés de véhicules électriques étaient heureux d’utiliser des véhicules qui pourraient être plus neutres en carbone et représentaient une nouvelle technologie. Les acheteurs moins soucieux de l’environnement restent quelque peu sceptiques à l’égard des véhicules électriques pour diverses raisons :

• Tarif :: La plupart des véhicules électriques coûtent encore plus cher que leur équivalent ICE (Internal Combustion Engine). Avec la hausse des taux d’intérêt, les véhicules électriques peuvent devenir trop chers pour de nombreuses personnes.
• Anxiété de portée: Un moyen de réduire le prix d’un véhicule électrique est de choisir l’option de batterie la plus petite. Mais une autonomie inférieure peut rendre les longs trajets difficiles, et le temps de charge peut également être long.
• Température froide: Plus le climat est froid, plus les batteries sont endommagées. La plupart des véhicules électriques doivent rester en charge les nuits d’hiver s’ils ne sont pas dans un garage chaud. De plus, le froid réduit l’autonomie théorique des véhicules électriques.
• Infrastructure de charge: Les personnes vivant en appartement pourraient avoir des difficultés à recharger leur véhicule électrique s’il n’y a pas suffisamment de bornes de recharge publiques disponibles. De longues files d'attente, une recharge lente ou l'absence de station à proximité peuvent nuire à l'expérience.
• Sécurité et durabilité de la batterie: Les batteries lithium-ion contiennent beaucoup d’énergie. Et les électrolytes de la batterie sont très inflammables. Cela rend les batteries potentiellement dangereuses pour la sécurité, en particulier dans les environnements fermés comme les parkings souterrains. Non pas que les voitures ICE soient ininflammables, mais cela reste préoccupant.
• Grille éléctrique: Même si cela ne constitue pas vraiment une préoccupation pour les acheteurs de véhicules électriques, cela peut devenir un problème pour le secteur dans son ensemble. Les réseaux électriques sont déjà quelque peu sollicités et pourraient ne pas bien gérer des millions de véhicules ayant besoin d’être rechargés. La source de l’électricité est également un problème, car une grande partie provient de combustibles fossiles, dont le charbon.

La plupart des problèmes rencontrés avec les véhicules électriques actuels peuvent être résolus avec de meilleures batteries. Une charge lente, une autonomie trop faible, des problèmes de sécurité, une sensibilité au froid et même un prix sont autant de caractéristiques des batteries lithium-ion actuelles.

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

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

Améliorer les batteries au lithium

La première étape consiste à améliorer les batteries existantes et à capitaliser sur la richesse des connaissances et de l’expérience acquises dans le cadre de cette technologie. Certains chercheurs estiment que la génération actuelle de batteries peut encore être améliorée progressivement jusqu’en 2030 : «Perspectives pour les batteries lithium-ion et au-delà : une vision 2030 ».

La première partie consiste à améliorer cathode partie de la batterie, 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 lorsqu’une batterie vieillit pourrait améliorer toutes les spécifications des batteries.

Anodes, actuellement constitué de graphite, pourrait être remplacé par du silicium ou de l'oxyde de silicium 5 à 10 fois plus dense en énergie. Jusqu’à présent, cela s’est avéré difficile, car les anodes en silicium ont tendance à « vieillir » trop rapidement. Les mélanges graphite-silicium sont déjà de plus en plus courants et pourraient contribuer à augmenter l'énergie totale des batteries.

Changer le électrolytes connecter l'anode et la cathode pourrait également aider. De nouveaux types de solvants liquides, des électrolytes plus concentrés ou peut-être même des électrolytes de type gel pourraient améliorer le profil de sécurité et augmenter la densité de la batterie.

Enfin, un meilleure conception est une option pour optimiser la relation entre les batteries et les véhicules électriques. De nombreux fabricants de véhicules électriques commencent à utiliser ce qu'on appelle batteries structurelles qui sont à la fois des éléments de stockage d'énergie et des composants structurels du véhicule. Cela peut réduire le poids total de la voiture, conduisant à plus d’efficacité et d’autonomie. Rolls-Royce, Tesla et Volvo travaillent déjà sur cette idée, qui pourrait augmenter l'autonomie de 16 %.

Piles à semi-conducteurs

Longtemps théorisée et peu à peu concrétisée en laboratoire, batteries à semi-conducteurs sont souvent décrits comme le Saint Graal de la technologie des batteries.

L’idée est de supprimer complètement le besoin d’électrolytes liquides, réduisant ainsi considérablement le poids de la batterie et augmentant considérablement sa densité. Le retrait de l'électrolyte inflammable devrait rendre la batterie beaucoup plus sûre. La suppression de l'électrolyte devrait également simplifier le processus de production ; suppression jusqu'à 3 semaines dans la chaîne de fabrication.

Enfin, de telles conceptions promettent une recharge presque complète en 3 à 5 minutes, soit à peu près le même temps qu'il faut pour faire le plein d'essence d'une voiture.

De nombreuses entreprises envisagent de lancer leur propre version de batteries à semi-conducteurs dès 2026-2029. Cela inclut QuantumScape (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 semi-conducteurs, les 4680 cellules de batterie basées sur la technologie lithium-ion.

Problèmes liés aux batteries à semi-conducteurs

Le développement des batteries à semi-conducteurs a été entravé par les difficultés liées à la transformation des prototypes de laboratoire en produits fabriqués en série. Une production fiable, automatisée et à faible coût est toujours en cours, et le calendrier d’arrivée sur le marché des batteries à semi-conducteurs se situe probablement au mieux à l’horizon 2026-2028.

Source: Titres de sommets

Enfin, les batteries à semi-conducteurs utiliseront beaucoup plus de lithium que les batteries lithium-ion actuelles, ce qui pourrait provoquer une répétition de la flambée du prix du lithium en 2022, lorsqu'il a été multiplié par 10 en 2 ans. Le recyclage peut également être difficile.

Batteries « condensées »

Peut-être n’avons-nous pas besoin d’attendre les batteries à semi-conducteurs pour voir des batteries à très haute densité. CATL a annoncé la création d’une batterie « matière condensée », capable d'atteindre 500 Wh/kg. L'entreprise affirme également que la possibilité de réaliser une production de masse dans un court laps de temps, ce qui venant du leader du secteur et non d'une petite startup, est probablement crédible.

Il s’agit d’un niveau de densité que l’on pensait auparavant pouvoir atteindre uniquement grâce aux batteries à semi-conducteurs. C’est également le niveau requis pour commencer à envisager des avions électriques et d’autres applications jusqu’à présent impossibles à électrifier.

Chimies alternatives des batteries

Il existe de nombreuses alternatives possibles au lithium-ion pour créer une batterie. Mais seules quelques compositions chimiques de batteries offriront le bon mélange de légèreté, de haute densité et de sécurité pour être adaptées à une utilisation dans les applications mobiles.

À long terme, certaines de ces batteries alternatives pourraient même remplacer les batteries au lithium, plus coûteuses, du moins lorsqu’il s’agit du marché de masse automobile, plus sensible aux prix.

Batteries Lithium-Fer(Ferrum)-Phosphate – LFP

Les batteries LFP sont depuis longtemps hors des applications de mobilité en raison d'une densité énergétique trop faible, généralement 30 à 40 % inférieur à une batterie lithium-ion classique. La dernière version de cette chimie atteint désormais le niveau de densité des batteries lithium-ion d’ancienne génération, ce qui les rend viables pour les véhicules à faible coût.

Un gros avantage des LFP est qu’elles ne nécessitent ni nickel ni cobalt, deux facteurs 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 encore davantage le coût total de la durée de vie du système de batterie.

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

Elle ne néglige néanmoins pas le marché LFP après la révélation en août 2023 d'un 700 kilomètres Batterie LFP 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 entrant dans la fabrication du lithium-ion. En revanche, le sodium est extrêmement abondant et bon marché et beaucoup moins susceptible de tomber régulièrement en pénurie comme le lithium.

Premier constructeur automobile chinois, BYD a annoncé son intention d'utiliser des batteries sodium-ion pour ses nouveaux modèles à bas prix Dolphin et Seagull, avec le Seagull peut-être aussi bon marché que 10,000 XNUMX $ (malheureusement, uniquement en Chine).

Cela faisait suite à l'annonce de une batterie sodium-ion haute densité de CATL en 2021. En novembre 2023, les associations européennes Northvolt ont annoncé une percée dans l'ion sodium, obtenant le même Densité énergétique de 160 wattheures par kilogramme par rapport à CATL.

Bien que légèrement 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 1/3 du prix des batteries actuelles utilisant du nickel.

Autres chimies

Même s’il serait trop long de les examiner une par une, il existe de nombreuses autres chimies potentielles qui pourraient un jour devenir de sérieux concurrents pour les batteries utilisées dans les applications de mobilité. Mais ces technologies en sont à un stade précoce, ce qui rend leur adoption dans les véhicules électriques peu probable à court terme.

Piles en verre

Une idée intrigante, en utilisant uniquement des matériaux très abondants, que pour l’instant d’autres chercheurs ont du mal à reproduire dans leurs propres laboratoires. Mais étant donné que cette idée est soutenue par Monsieur Goodenough, l'inventeur de la batterie lithium-ion, il ne faut pas non plus l'écarter (malheureusement, M. Goodenough est décédé à l'été 2023)

Piles au graphène

Le graphène, une seule couche d'atomes de carbone, est extrêmement conducteur. La société Graphene Manufacturing Group (GMG.V) fait pression pour les batteries graphène/aluminium, qui pourraient avoir une densité plus élevée que le lithium-ion tout en se chargeant 70 fois plus rapidement et durent 3 fois plus longtemps. La société est travailler avec le géant minier (et mineur de graphite) Rio Tinto pour démarrer la production à grande échelle pour 2025.

Batteries à hydrogène et manganèse

Ces batteries utiliseraient du magnésium pour remplacer le lithium. Ce type de batterie a été décrit comme «quasi-solide» et pourrait supporter des températures bien meilleures aussi basses que -22 °C (- 7°F).

Batteries lithium-soufre

Ces batteries utiliseraient du lithium et du soufre au lieu du cobalt et du nickel, coûteux. Même à ce stade précoce, ils affichent une densité énergétique remarquablement élevée. Cependant, ils ont été confrontés à des problèmes de durabilité et devront devenir beaucoup plus durables pour constituer une bonne alternative aux produits chimiques existants.

Source: Titres de sommets

Batteries sodium-soufre

Ces batteries étaient pour l'instant limitées aux applications où la batterie était maintenue à des températures élevées (300°C). Cependant, de nouveaux électrolytes empêchant la dissolution du soufre pourraient supprimer cette exigence. Cela pourrait donc devenir un nouvel angle pour trouver des batteries puissantes et bon marché.

Batteries aluminium-ion

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

Aluminium-Air

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

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

Actuellement, la principale limite au développement de cette technologie semble être qu’elle ne bénéficie pas de soutien public, car elle n’est ni une véritable batterie, ni une pile à combustible, ni une technologie basée sur l’hydrogène, ce qui la rend inéligible au soutien des politiques vertes existantes.