La batterie de voiture électrique pour les nuls

Le brevet du premier moteur électrique a été déposé en 1887 par Nikola… Tesla. Il est loin d’être le problème de l’histoire de la voiture EV. Le souci, depuis plus d’un siècle, c’est de stocker cette énergie électrique. Le souci, ce sont les batteries. Enfin jusqu’à aujourd’hui, ou presque, notamment grâce à l’avènement du lithium.

Une batterie, c'est quoi au juste ?

Le mot batterie est un assemblage de cellules.

L’idéal d’une batterie, c’est d’avoir une grande quantité d’énergie dans un volume et un poids réduit. Le Lithium est top pour ça, puisqu’il est très léger et possède une forte capacité énergétique. Seul bémol : il est instable et brûle au contact de l’air et de l’eau. Les incendies de batteries lithium sont particulièrement complexes à éteindre. Puis le feu se déclare avec une explosion liée à la forte immédiate réaction du lithium avec l’oxygène (de l’air par exemple). Une palette de 81 000 batteries lithium qui avait pris feu dans la soute avait causé le crash du Boeing747 du vol UPS Airlines 6 le 3 septembre 2010.

Rassurez-vous, aujourd’hui, le transport de lithium est soumis à des règles strictes. Quant aux batteries utilisées, elles possèdent plusieurs niveaux de sécurité allant de leur composition (séparateur, catalyse pouvant se solidifier lors d’un choc) à l’enveloppe elle-même (gonflement pour les batteries en lithium polymère pour réduire la pression interne).

On peut agencer les batteries en parallèle et en série. En série, les tensions s’additionnent. En parallèle, ce sont les intensités.

L’énergie colossale demandée par une automobile

Les voitures électriques sont lourdes. Dans une Peugeot 508 de 1 535 kg, 4 passagers de 100 kg chacun représentent 26 % de la masse totale. Avec une Tesla 3 Performance de 1 844 kg, ces mêmes passagers représentent 21,7 % de la masse totale.

Le décalage se retrouve aussi sur les citadines :

On comprend ainsi la différence de besoin entre une trottinette électrique (50 cellules) et une Tesla S 85 kW (7 204 des mêmes cellules).

La batterie d’une Tesla S 85 kWh (de 540 kg) contient autant de cellules que 142 trottinettes offrant 35 km d’autonomie en transportant une personne de 100 kg à 25 km/h, mais cette batterie de Tesla S 85 kWh autorise 14 fois plus de kilomètres. Il faut donc 14 trottinettes pour parcourir la même distance. La Tesla embarque 4 personnes. Donc à kilométrage et personnes transportées équivalents, il faut 14 x 4 soit 56 trottinettes pour avoir un équivalent à cette Tesla S.

Utiliser une Tesla S 85 kWh avec 4 personnes en ville revient à utiliser 2,5 fois plus de ressources (et cela rien que pour les batteries) qu’utiliser une trottinette électrique. La comparaison a été faite avec une Tesla S car cette dernière utilise le même type de cellules que la trottinette. À la différence d’Audi qui utilise des cellules de type pouch (très fine à grande surface) ou de BMW qui utilise des cellules prismatiques.

Il y a plusieurs écoles concernant la forme des cellules. Tesla souhaite utiliser plusieurs petites cellules. Le poids est supérieur à capacité égale, mais surtout le volume et donc l’espace occupé dans la voiture. Mais les batteries tiennent mieux dans le temps, l’équilibre des charges étant plus facile. Puis une cellule morte ne représente qu’un infime pourcentage de la capacité totale de la batterie.

Les batteries à cellules prismatiques en revanche représentent une part plus importante de la capacité totale. La durée de vie sera inférieure. En revanche, elles occupent moins d’espace et sont plus légères à capacité équivalente (il y a moins de matériau entre elles).

Pourquoi la batterie au lithium perd en capacité au fil des cycles de charge-décharge ?

L’usure des batteries et la perte de capacité viennent de la solidification des ions lithium. Ils réagissent avec les matériaux qui constituent les anodes et cathodes (sur lesquels les ions viennent se poser au fil des charges et des décharges).

Cela crée des rainures de lithium métalliques appelées dendrites. Non seulement la capacité est réduite vu que ces ions transformés ne génèrent plus d’énergie, mais en plus, ces rainures peuvent traverser le séparateur. Les 2 électrodes entrent alors en contact direct : toute l’énergie est libérée d’un coup : Boum !

On se rassure, ces incidents sont très rares, il n’y a qu’à voir le nombre de cas de recensés par rapport au nombre de batteries en circulation. Mais il faut garder en tête qu’une batterie au lithium-ion n’aime pas rester inactive plusieurs mois. En réalité, elle n’aime pas que tous les ions se situent d’un seul côté. Cela favorise leur cristallisation.

Que ce soit une charge à 100 % ou une décharge à 100 %, le risque de cristallisation de ces ions (la solidification) est élevé. Mais il y a une nuance : la batterie n’est jamais inactive. Elle se décharge au fil du temps. Donc une charge à 100 % ne restera jamais réellement à 100 %. En revanche, une décharge à 100 %, elle, ne connaîtra pas d’effet lent inverse. Une batterie ne se recharge pas lentement. Les ions restent donc longtemps du même côté et vont donc lentement se solidifier, créer des dendrites et la batterie sera alors morte et dangereuse.

Le BMS Battery Manager System : le garde-fou du lithium-ion

Le BMS est une carte électronique (un circuit électronique avec des composants spécifiques) logée dans les packs de batteries. Il sert à éviter le vieillissement prématuré des ions lithium. C’est l’entraîneur de l’équipe des ions. Il se charge de faire des rotations des joueurs pour éviter leur épuisement. Il équilibre les cellules, pour éviter qu’un ion ne joue 2 matchs lorsqu’un autre n’en joue aucun. Il est paramétré selon les besoins de longévité. Pour cela, il va éviter les charges et décharges trop importantes (tous les ions sur une seule électrode, c’est plus de risque qu’ils cristallisent et se solidifient). Le BMS n’est pas optionnel, il est impératif.

La production de lithium et de batteries

• Le lithium n’existe pas à l’état natif et s’obtient par évaporation des sels de lithium des lacs de saumure alcaline avec le vent et le soleil sans usage de produit chimique.
• Le « problème » écologique du lithium est surtout lié à trois facteurs : d’abord la consommation colossale d’eau nécessaire à l’extraction, la surface occupée par les bassins d’évaporation, puis les risques de contamination des nappes d’eau potables par la saumure lors des pompages (rares et localisés).
• Une plus grosse cellule n’a pas une meilleure densité (rapport énergie/poids) énergétique mais permet de réduire les coûts de production et d’agencer plus facilement les batteries dans les véhicules.
• Les terres rares n’ont de rare que le nom. Ce sont des métaux aux propriétés électromagnétiques utilisés pour réaliser les moteurs à aimant permanent ou comme craqueurs d’hydrocarbure dans les pots catalytiques. Donc les voitures électriques utilisent bien des terres rares pour leurs moteurs et non leurs batteries et ce n’est pas un problème du tout.
• Le cobalt n’appartient pas à la famille des terres rares mais est, paradoxalement, un métal rare.
• Le cobalt est obtenu par extraction dans des mines sauvages dans des pays qui font travailler, entre autres, des enfants comme la RDC. Cette extraction est toxique.
• La production du cobalt s’effectue grâce à l’électrolyse. Il faut extraire 500 tonnes de minerai pour 1 tonne de cobalt. Un ratio 500 pour 1 à avoir à l’esprit.
• Le dioxyde de cobalt est utilisé pour réaliser l’anode de la batterie lithium.

Consommation de cobalt pour les batteries lithium en 2018 par fabricant (via Statista)

Les ressources nécessaires à la production

Il faut 2 millions de litres d’eau pour produire une tonne de lithium.

Rapport de ressources entre l’eau utilisée et le lithium produit

• Il y a 38,3 millions de véhicules particuliers en France. L’équivalent en électrique, avec un usage du cobalt à 2 % (soit 6 kg par véhicule et on en est loin aujourd’hui pour la plupart) nécessiterait pour une autonomie de 400 km par véhicule environ 229 600 tonnes de cobalt.
• Puis avec 60 % de nickel dans les batteries actuelles, pour les mêmes conditions, il faudrait 6 894 000 tonnes de nickel.
• Réaliser une transition au tout électrique en 10 ans en se basant sur les meilleures batteries disponibles aujourd’hui revient à utiliser un tiers de la production mondiale de nickel, chaque année, juste pour les véhicules particuliers français (hors utilitaires, bus, etc.), en supposant cette production constante sur une décennie.
• En 2021, la production mondiale de cobalt a atteint son plus haut niveau de production avec 170 000 tonnes. La République démocratique du Congo en fournit 70 %.
• Les batteries sans cobalt existent et commencent à être utilisées. Pas pour des raisons humaines (ça fait 20 ans que personne ne s’en inquiète) mais pour des raisons économiques : le cobalt et le nickel sont devenus très chers. Et ça ne va pas s’améliorer avec le temps.
• Une solution pour des batteries abordables consiste à remplacer le nickel et le cobalt utilisés pour la cathode par du lithium métallique du fer et du phosphate (phosphate de fer lithié exactement) mais à volume et poids équivalent, les capacités électriques sont deux fois moindres. Des batteries plus lourdes pour des véhicules plus lourds à autonomie égale.
• Cela dit, a-t-on besoin de 600 km d’autonomie si on peut avoir 250 km garantis et une charge garantie en moins de 10 minutes ?
• La batterie au sodium charge vite, est faiblement sensible aux variations de température, peut supporter 5 000 cycles, est facile à recycler, est plus écologique mais a une capacité énergétique 2 fois plus faible que le lithium.
• Les premières batteries lithium embarquaient 33 % de cobalt (Nickel 33 %, Cobalt 33 %, Manganèse 33 % appelée NCM 33).
• Les batteries lithium actuelles ont en moyenne une composition NCM 811 : 80 % Nickel – 10 % de Cobalt – 10 % Manganèse.
• Une batterie de voiture électrique pèse environ 300 kg pour une moyenne de 75 kWh.
• La plupart des voitures électriques actuelles embarquent au minimum 50 kg de cobalt.
• Tesla a réduit de 60% l’utilisation du cobalt dans ses batteries entre 2012 et 2020.
• La Tesla S a une batterie de 600 kg permettant de faire 600 km par charge.
• Créer une batterie pour alimenter une Fiat 500E nécessite 4 tonnes de CO2. Cela revient à conduire une voiture diesel flambant neuve de 2022 pendant 33 000 km. Mais l’usage du nucléaire ou d’énergie renouvelable peut facilement faire baisser cette quantité de CO2.

L’aspect économique des batteries de voitures électriques

• D’ici 2025, le marché annuel de la batterie lithium devrait dépasser les 250 milliards de dollars, rien que pour le marché européen dont 50% uniquement pour l’automobile.
• Les batteries sans cobalt et sans nickel tournent à 100$ le kWh ce qui les rend bien plus abordables que celles avec cobalt.
• Le cobalt est passé de 24$ / kg en 2013 à 61$ / kg actuellement.
• Le nickel est passé de 8,7$ /kg en 2017 à 27,56$ actuellement.
• 7 sociétés et groupes se partagent le marché actuel de la batterie : CATL, LG, Panasonic, Samsung, BYD, SK Innovation et CALB.
• Les analystes estiment que la production de véhicules électriques mondiale va passer de 8 millions actuellement à 116 millions d’ici la prochaine décennie.
• Le marché du lithium devrait passer de 3,64 à 6,62 milliards de dollars par an d’ici 2028.

Les limites des batteries de véhicules électriques

• La vertu a ses limites. Une auto EV qui offre 350 km d’autonomie réelle moyenne par cycle d’une batterie de 70 kWh de capacité nominale (si on tient compte des déperditions énergétiques lors des charges, de l’usure de la batterie ainsi que de l’autonomie réduite en hiver et de la surconsommation provoquée par le chauffage de la batterie) consommera environ 3200 kWh (et jusqu’à 4500 kWh) pour parcourir 15 000 km. C’est autant que l’énergie nécessaire à alimenter en électricité un appartement de 60 m2 pendant un an (eau et chauffage compris).
• Les batteries lithium-ion actuelles ne sont absolument pas adaptées aux environnements extrêmes d’utilisation de l’automobile et nécessitent des solutions techniques complexes et coûteuses pour limiter les risques de surchauffe et préserver leur autonomie dans le temps. D’où la recherche d’alternatives comme les batteries au graphène ou solides.
• Si le froid réduit considérablement l’autonomie des batteries, il ne les endommage pas et n’a pas d’effet néfaste sur le lithium. C’est simplement qu’il ralentit le mouvement des molécules : moins de mouvement, moins d’énergie.
• À 0°C la perte d’autonomie est de l’ordre de 20%. À – 40°C, l’autonomie n’est que de 10% seulement.
• À -30°C, la perte est de 60%. Cela signifie qu’une Honda-e en plein hiver canadien peinera à réaliser 50 km.

• La solution consiste à chauffer la batterie avant de rouler. Entre 20°C et 30°C, la batterie est à son maximum. La préchauffe est indispensable en hiver pour les voitures électriques. Encore faut-il être branché.
• Cette chauffe est gourmande en énergie électrique, puisque cela revient à chauffer un système glacé.
• Il ne faut pas charger à fond une batterie lithium-ion restée déchargée trop longtemps.
• Une capacité restante de 70% n’offre pas 70% d’autonomie mais beaucoup moins. Pour cause, la tension étant réduite, on sollicitera plus d’énergie pour la même tâche (se déplacer dans le cas d’une automobile). D’autant plus si on demande un effort supplémentaire pour franchir une côte : on puisera donc plus fort dans les ressources de la batterie et on la videra ainsi beaucoup plus vite.

L’usure des batteries lithium-ion

• Dans des conditions idéales, une batterie actuelle offre 1000 cycles de durée de vie. Soit, pour 350 km d’autonomie, 350 000 km avant remplacement de la batterie. Encore faut-il qu’elle ne soit pas stressée (surchauffe, charges et décharges intenses).
• L’équilibre parfait de stockage du lithium est forcément de 50% de charge. On a ainsi autant d’électrons d’un côté que de l’autre. C’est l’état le plus stable possible.
• Pour éviter tout souci psychologique, certains constructeurs d’appareils électroniques affichent des 0% et des 100% alors que les capacités ne montent pas au-delà de 80% et ne descendent pas sous 20%.
• En transport électrique, on parle de capacité de batterie utile (la charge max réelle) et nominale (la charge max théorique qu’on évite d’atteindre pour ne pas user prématurément la batterie).
• On peut utiliser d’anciennes batteries comme générateurs autonomes, il faut néanmoins veiller à l’usure des anodes et cathodes et au développement des dendrites.
• La perte de capacité vient de la réaction entre les atomes de lithium ioniques qui se cristallisent (solidifient) au contact des électrodes. Au fil des cycles, la quantité d’ions diminue.
• Au fil des cycles, ces atomes se solidifient et créent des dendrites qui peuvent traverser le séparateur et au mieux tuer la batterie, au pire créer une explosion comme cela arrive sur les smartphones.
• Dans une batterie vide, tous les ions sont du côté de la cathode et se solidifient au fil du temps. Plus la batterie reste vide longtemps, plus elle perd en capacité.
• L’inverse est vrai. Mais une charge complète ne reste pas à 100% : la batterie se décharge seule à cause de l’instabilité du lithium.

Le recyclage des batteries de voitures électriques

• Les batteries lithium-ion sont recyclables contrairement aux idées reçues.
• Le recyclage des batteries se fait en 2 temps : d’abord on réutilise la batterie pour des usages sollicitant moins de puissance : comme des grosses réserves d’énergie à rechargement solaire pour pallier les pics de recharges sur autoroute par exemple. En fait, c’est ça la plupart du temps. On transforme les anciennes batteries en grosses stations de recharge.
• Puis via combustion et récupération des métaux non brûlés. Notez que cette combustion est hautement toxique. On n’a pas de fumée toxique sans feu.
• La recherche (et plus particulièrement une entreprise) a réussi à utiliser des liquides non toxiques pour dissoudre les matériaux non recyclables et éviter la combustion. Mais on n’a aucune info sur ce qu’il adviendra des liquides obtenus qui seront forcément toxiques une fois la dissolution effectuée. Logique, la plupart des sociétés vantant les mérites de leurs solutions oublient d’en mentionner les contraintes et les risques.
• Les matériaux restants peuvent être réutilisés à 100% : lithium, cobalt, manganèse.
• Mais également l’aluminium et le cuivre.
• On pourrait presque obtenir un circuit fermé, mais il va falloir tout de même chercher d’autres composants pour remplacer le nickel et le cobalt.

Les pistes pour une batterie idéale

• Plusieurs matériaux sont envisagés pour remplacer le lithium sous sa forme liquide (solution ionique) comme sa forme solide.
• La batterie solide consiste à remplacer l’électrolyte, ce liquide conducteur dans lequel baignent les anodes et cathodes, par des matériaux à forte densité énergétique, mais solides.
• La batterie solide est chargeable en une poignée de minutes, peut encaisser des hautes tensions et hautes intensités, résiste bien mieux au froid comme au chaud et surtout, n’a pas le risque d’explosion des batteries liquides.
• Mais la seule batterie solide qui a été mise sur le marché a équipé les BlueCar (ou Autolib) et son défaut et non des moindre était d’avoir une forte auto-décharge, l’obligeant à rester branchée entre 2 utilisations. Peu d’infos sont trouvables sur les progrès accomplis depuis, en tout cas, peu d’infos vérifiables et sûres.

• Tous les grands industriels de la batterie soutenus par les constructeurs automobiles (Renault, Nissan, Volkswagen) travaillent sur la batterie solide actuellement. Elle est le messie de la voiture électrique.
• La batterie au graphène est à l’étude depuis plus d’une décennie, entre autres par Samsung, sans avoir réussi à être commercialement rentable. La faute à la production des membranes de graphène, complexes car ultra-fines. La production a donc beaucoup de ratés ce qui la rend onéreuse.
• Le graphène a une grosse densité électrique, il est flexible. Le gros point fort vient de sa finesse. Chaque couche très fine possède un énorme potentiel électrique. On peut mettre ainsi beaucoup de ces couches, pliées dans une cellule. Beaucoup de couches à fort potentiel électrique. Le graphène c’est du carbone, la ressource la plus prolifique sur la planète. Donc côté efficacité, approvisionnement et recyclage, le graphène est une solution parfaite. Parfaite, mais pour le moment inexploitable car trop complexe à industrialiser.
• Des grandes sociétés de batterie comme Samsung, LG Chem, Mitsubishi, Renault, Nissan travaillent sur des batteries lithium silicium. Ce dernier remplace le graphite de la cathode et décuple les propriétés de la batterie, notamment la vitesse de charge et surtout la capacité théorique presque 10 fois supérieure.
• Le problème de la cathode en silicium : elle se dilate énormément lors de l’utilisation de la batterie et cette dilatation est définitive.

Le futur de l’automobile sera bien électrique mais…

Les batteries ont plus progressé en 10 ans qu’en un siècle. Et cela va s’accentuer. Les pistes pour stocker l’énergie de manières quasi parfaite (haut rendement avec un usage des ressources en circuit fermé) sont nombreuses. Malheureusement, elles restent des pistes et rien n’est pour le moment finalisé ni prêt à entrer en production à grande échelle.

L’Europe a misé sur l’avenir, mais en s’imposant de délais (certes extensibles) fondés sur l’espoir.

Supposons que ces technologies aboutissent. Supposons que la batterie au graphène voit le jour rapidement, puis la batterie solide réussisse à être opérationnelle. Cela ne résoudra qu’une petite partie du problème. L’autre étant de trouver des sources d’énergie non polluantes pour remplir ces batteries. Toutefois, cela supprimera une barrière qui aura fait obstacle à bien des voies de mobilités possibles au XXe siècle : ce fichu stockage !