L’histoire intérieure des batteries de véhicules électriques : démystifier les produits chimiques NCM, NCA, LFP et à l’état solide

La principale raison pour laquelle les véhicules électriques n’ont pas complètement pris en charge la charge de transport est le niveau technologique de leurs batteries haute tension. Même si d’énormes progrès dans ce domaine ont été réalisés au cours de la dernière décennie, le contenu énergétique des batteries est loin d’être comparable à celui des combustibles liquides. Le Saint Graal de la recherche automobile est une batterie avec une densité énergétique nettement supérieure à celle actuellement disponible. Nous avons donc décidé de passer en revue les technologies de batteries actuelles et prometteuses à venir et de vous mettre au courant.

Technologies actuellement utilisées

Lithium-ion - Cathode NCM et NCA

Les batteries lithium-ion existent il y a environ 30 ans, lorsque Sony les a introduites dans un appareil commercial : le caméscope Sony CCD-TR1. Comment fonctionne une batterie lithium-ion ? En un mot, les ions lithium voyagent d’anode à cathode dans les deux sens. Pendant la décharge, l'anode envoie des ions lithium à la cathode. Les ions lithium voyagent à travers les électrolytes liquides tandis que les électrons voyagent à travers le circuit externe et se recombinent dans la cathode de la cellule. Pendant la charge, c'est le contraire qui se produit.

De nos jours, les types de batteries haute tension lithium-ion NCM et NCA sont utilisés presque exclusivement dans les véhicules électriques. N signifie Nickel, C pour Cobalt, M pour Manganèse et A pour aluminium. Selon le pourcentage de ces matériaux dans la cathode de la batterie, différentes caractéristiques sont obtenues. Par exemple, une batterie NCM 712 signifie qu'elle est composée de 70 % de nickel, 10 % de cobalt et 20 % de manganèse. En général, plus le pourcentage de nickel dans la batterie est élevé, plus la densité énergétique que la batterie peut fournir est élevée, avec un effet positif profond sur le poids et les dimensions de la batterie.

En raison de la rareté du cobalt dans la croûte terrestre et de son éthique minière douteuse (travail des enfants), les fabricants de batteries tentent d’utiliser des produits chimiques avec un pourcentage plus faible de matériau, voire de l’exclure totalement. La combinaison d'une cathode à haute teneur en nickel, d'une disposition cellule-pack et du silicium dans l'anode peut porter sa densité énergétique jusqu'à 325 Wh/kg. On pourrait dire que ce type de batterie approche de ses limites technologiques.

Lithium-ion - cathode LFP

Une autre alternative pour la cathode des batteries Li-ion est l’utilisation de lithium fer phosphate. Bien que les performances de ce type de batterie soient généralement inférieures à celles du type NMC, certains fabricants le préfèrent en raison de sa durée de vie plus longue et des matériaux moins chers et plus courants utilisés. La densité énergétique spécifique est ici plus faible en raison de deux facteurs principaux.

Premièrement, parce que la tension maximale est plus faible, cela signifie que pour la même capacité, nous obtenons moins de kWh et deuxièmement, parce que les ions lithium se déplacent dans une dimension spatiale (au lieu de deux dans les batteries NMC). Le fait que les ions lithium se déplacent dans une seule dimension spatiale signifie que la puissance de décharge maximale de la batterie est également plus faible, c'est pourquoi ce type de batterie n'est pas considéré comme adapté aux applications hautes performances.

C'est la raison pour laquelle Tesla utilise ce type de chimie de batterie uniquement pour la version de base du modèle 3. Ce type de batterie présente cependant deux avantages majeurs. Sa longévité est considérée comme supérieure à celle des autres types de batteries Li-ion et non seulement elle ne pose aucun problème pour la charger à 100 %, mais elle constitue en fait une forte recommandation pour ces batteries.

Technologies futures possibles

Lithium-Air

Les batteries Lithium-Air sont pour l'essentiel un projet technologique en ce moment et en cours de recherche, mais ce type de batterie semble être le plus prometteur de tous et présente une capacité énergétique spécifique similaire aux combustibles liquides avec 11,4 kWh/kg. Le lithium se trouve dans l'anode tandis que l'air est dans la cathode et ces deux éléments sont séparés par l'électrolyte. Pendant la décharge, les ions lithium de l'anode se déplacent vers la cathode où l'air est présent et réagissent avec l'oxygène.

Malheureusement, les températures élevées pendant la charge empêchent une recharge rapide de la batterie tandis que la formation de dendrites pendant le processus réduit considérablement la durée de vie de la batterie, limitant actuellement son utilisation à l'environnement du laboratoire. Si les défis technologiques sont surmontés et que leur coût est raisonnable, les véhicules ICE deviendront obsolètes du jour au lendemain.

Solid State

Elle est considérée comme le Saint Graal des batteries automobiles et de vastes recherches sont actuellement entreprises par tous les géants de l’industrie automobile. Les batteries lithium-ion conventionnelles d’aujourd’hui utilisent des électrolytes liquides et un séparateur pour séparer l’anode de la cathode. Dans la batterie à semi-conducteurs, l'électrolyte liquide et le séparateur sont remplacés par un électrolyte solide.

Les chercheurs évaluent actuellement une gamme d’options pour l’électrolyte solide, comprenant à la fois des substances métalliques et céramiques. Bien qu'aucun véhicule électrique n'utilise actuellement cette technologie de batterie, les premiers modèles de production devraient arriver sur le marché d'ici deux à trois ans. Cette batterie devrait offrir une densité d'énergie spécifique deux fois supérieure à celle des batteries Li-ion traditionnelles à électrolytes liquides, tout en conservant une durée de vie de 1 000 cycles, bien que ces estimations pourraient potentiellement s'améliorer à mesure que le développement progresse.