Batteries haute tension : à chaque chimie ses points forts

Malgré les progrès considérables réalisés en termes de coûts et de performances, les batteries pour véhicules et leurs technologies se partagent entre avantages et inconvénients. Les problèmes ne sont pas toujours là où les attend.

La batterie idéale n’existe pas : entre capacité, densité énergétique, poids, sécurité, coût, cycles et vitesse de charge, tout n’est que compromis. Jusqu’ici, l’accumulateur lithium-ion s’est imposé : les ions de lithium y vont de l’anode (électrode négative) vers la cathode (électrode positive) pendant la décharge, et, en sens inverse, de la cathode vers l’anode durant la charge. D’un côté, l’anode émet les électrons, tandis que la cathode les stocke.

Chimies dominantes

Pour l’heure, dans le transport, trois chimies de cathode (+) dominent : nickel-manganèse-cobalt (NMC), nickel-cobalt-aluminium (NCA) et lithium-fer-phosphate (LFP). Côté anode (-), même si le titanate de lithium (LTO) fait une apparition remarquée, la technologie qui s’est généralisée est basée sur le graphite. C’est justement la spécialité de Nathalie Job, chercheuse en électrochimie à l’Université de Liège.

Selon elle, ce que l’on cherche dans le transport routier, c’est la puissance et l’autonomie de la batterie : « Deux choses qui ne sont pas toujours couplées. Par exemple, l’autonomie tient au nombre d’ions de lithium qu’on arrive à faire rentrer et sortir. La puissance, par contre, est liée au courant que l’on peut délivrer, c’est-à-dire à la vitesse à laquelle les échanges se font, ainsi qu’à la tension de la batterie ».

Cette tension électrique dépend essentiellement du couple de bornes choisi. Si l’on veut de la puissance, c’est le couple NMC-graphite qui s’impose, la différence de potentiel entre les bornes étant d’à peu près 4 volts. « Par contre, si vous remplacez le graphite par du titanate de lithium (LTO) sur la borne négative, vous n’avez plus que 2 volts. Or, la technologie NMC-graphite nécessite des électrolytes qui résistent à la tension élevée, et qui sont inflammables. A contrario, le couple LFP-LTO est une chimie beaucoup plus stable, donc moins dangereuse. »

Le dilemme rapidité vs coût

Concernant la rapidité de charge et la longévité d’une batterie, c’est-à-dire le nombre de cycles charge-décharge qu’elle peut encaisser, la chimie joue un rôle important : par exemple, les cathodes basées sur le LFP, bien que très stables et sûres, ont une capacité de charge plus lente par rapport aux cathodes à base de nickel ou de cobalt. Et, pour une même chimie, le fait de charger trop vite peut nuire à l’état d’agrégation du matériau comme le graphite, et donc à sa longévité.

Quand le constructeur chinois BYD annonce une charge ultrarapide, pas plus longue qu’un plein d’essence, il a très probablement travaillé sur le chargeur lui-même. Mais il a aussi dû modifier la configuration de la batterie, vraisemblablement en améliorant son refroidissement de façon à pouvoir charger plus vite sans la dégrader et en évitant d’avoir des gradients de température importants à l’intérieur. Ce sont ces gradients de température qui provoquent l’usure prématurée de la batterie.

Même si leur coût a considérablement diminué en dix ans, les batteries NMC et NCA restent nettement plus chères à cause de leur composition métallique. Plus sûre, la technologie LFP est aussi beaucoup moins chère car elle ne contient pas de cobalt. Nathalie Job soulève un paradoxe : compte tenu de la faible valeur des matériaux comme le fer et le phosphate, « la filière de recyclage LFP est problématique au niveau rentabilité, et récupérer le lithium coûte plus cher que d’aller l’extraire en Bolivie ».

Quoi qu’il en soit, « les matériaux les plus critiques pour les batteries actuelles restent le lithium et le cobalt », observe Nathalie Job. On en parle moins, mais le cuivre aussi est un souci, notamment à cause de la demande en armement. Le nickel commence à devenir un problème, le graphite aussi, sur lequel il y a de grosses tensions, car on en manque à l’état naturel ». Les ressources en graphite sont exploitée notamment au Canada, et il y en aurait aussi en Ukraine…

Perspectives

Alors que les technologies NMC, NCA ou LFP proprement dites ont atteint leurs limites, l’une des pistes d’amélioration des batteries peut se trouver dans l’anode : en remplaçant une partie du graphite par du silicium, on gagne beaucoup en capacité et donc en volume. Ce serait apparemment le cas des batteries BYD.
Actuellement, pour réduire les coûts et la dépendance aux matériaux, la recherche travaille sur diverses solutions d’électrolyte : lithium-air, sodium, potassium et autres. Chaque fois, elle se heurte à une vitesse réduite de déplacement des ions, donc à un manque de puissance. Idem pour l’électrolyte solide, souvent à base de sels de lithium, oxydes ou sulfures : offrant un potentiel réel en termes de sécurité, de densité énergétique et de longévité, ces types de batteries sont encore en cours de développement. Ce n’est pas demain la veille qu’on les verra montées sur un poids lourd.