La batterie electrique est l’organe clé des voitures électriques. Elle influe directement sur les performance et surtout l’autonomie de l’automobile écologique. Aujourd’hui, les batteries lithium permettent d’améliorer considérablement les caractéristiques techniques des véhicules électriques et rendent leurs l’utilisation possible.

batteries des voitures électriques

Le lithium permet en effet de stocker énormément de charges électriques sous forme d’ions sur les électrodes et de manière très compacte. Le principe de fonctionnement réside sur la circulation des électrons pour générer un courant électrique, comme pour toute autre batterie : les ions lithium, agglutinés sur l’électrode négative en graphite, traversent l’électrolyte (paroi centrale de la batterie), pour se fixer sur l’électrode positive en dioxyde de cobalt.

Pour réaliser des batteries capables de rendre crédible une offre de voiture électrique sur le marché, les chercheurs du monde entier travaillent à relever différents défis :

I – Augmenter la capacité de stockage d’énergie des batteries des voitures  electriques

Embarquer un maximum d’énergie pour un encombrement minimal, c’est le défi de tout type de transport et la voiture électrique n’échappe pas à cette contrainte. Les énergies fossiles sont à la fois une source et un contenant d’énergie. En brulant 1 kg d’essence, il est possible de générer 10000 Wh d’énergie. La densité énergétique est définie par ce rapport poids/puissance et détermine les performances d’autonomie de la voiture electrique.

Les batteries lithium-ion ont une densité énergétique de 150 Wh/kg à 200 Wh/kg, soit quatre fois plus que la technologie nickel-cadmium et six fois plus que le plomb. Mais cela reste 50 fois moins que les carburants liquides. Les chercheurs travaillent ainsi sur de nouveaux types d’électrodes capables de stocker plus d’ions, comme l’oxyde de manganèse (LiMnO2) ou l’oxyde de nickel (LiNiO2). Ces technologie sont en cours de développement et pourraient voir la densité énergétique des batteries  des voitures électriques portée à 350, voire 500 Wh/kg. La problématique est de trouver la solution qui combine performance et longévité dans le temps, en évitant la dissolution de l’électrode positive dans l’électrolyte après quelques cycles de charges. De gros progrès sont donc encore à faire pour augmenter la densité d’énergie des batteries sans que leur durée de vie ne soit trop inférieure à celle des voitures électriques.

II – Diminuer les temps de charge des batteries des vehicules electriques

Le temps de charge d’une batterie d’une voiture électrique est d’environ 8 h avec une prise domestique de 16 ampères. Il passe à 5 h avec la prise 32A destinée aux équipements de cuisine (prise four). Plus l’intensité de charge est élevée (plus le nombre d’électron qui transite est important), moins la charge est longue. Avec une prise 200A , il serait ainsi possible de charger la batterie en moins d’une heure, et de la charger à 50% de sa puissance nominale en vingt minutes, comme nous le verrons dans la partie sur l’infrastructure de charge.

Cependant, cette charge rapide endommage la batterie electrique de la voiture individuelle électrique. Lorsque la puissance est trop importante, les ions lithium n’ont pas le temps de reprendre la forme originale sur l’électrode de graphite, à la surface de laquelle se forme une couche de lithium métallique. Il existe donc une intensité à ne pas dépasser dans la batterie. L’alternative peut être de changer cette électrode de graphite en la remplaçant par une feuille d’oxyde de titane, qui autorise une intégration des ions lithium plus rapide. La charge complète de la batterie devient possible en 5 minutes ! Cependant la contrepartie est une densité énergétique moindre : 130 Wh/kg.

III РAm̩liorer la s̩curit̩ des batteries des voitures ̩lectriques

La sécurité des batteries d'une voiture électrique (incendie)Le vieillissement des batteries dans les voitures électriques est une problématique dominante qui peut également impacter la sécurité. Ainsi, le lithium peut à l’usage dégrader l’électrolyte. Le risque, c’est de voir les deux électrodes entrer en contact, provoquant ainsi un court-circuit et donc, une explosion. Pour y remédier, les électrodes de la batterie electrique sont protégées par des séparateurs sophistiqués. En plus de cela, un système électronique important accompagne la gestion de la batterie : vitesse de charge / décharge, température des modules, fusibles, … Une autre solution moins couteuse, c’est de se prémunir des court-circuits à l’aide d’un électrolyte solide. Il s’agit de la batterie « lithium-polymère » dont la société BatScap, filière du groupe Bolloré, détient les brevets. La contrepartie de cette solution, c’est que la batterie doit être portée à 60°C pour fonctionner. En conséquence, la densité d’énergie de cette solution descend à 100 Wh/kg et les performances de la voiture electrique diminuent d’autant.

IV РDiminuer les couts des batteries des voitures ̩lectriques

Batterie d'une voiture electriqueLe budget alloué à la partie batterie par les constructeurs automobiles est de l’ordre de 200€ du kWh. Or, le coût des batteries lithium est aujourd’hui de l’ordre de 500 €/kWh. Il y a donc de gros efforts à faire. Il est par exemple possible de diminuer le coût de l’électrode en cobalt (un matériau donnant lieu à de nombreuses spéculations) par d’autres matières tout aussi stables. Les chercheurs travaillent notamment sur une électrode en phosphate de fer, plus stable et moins chère que le cobalt, mais avec une densité d’énergie moindre. Le cout important des batteries des voitures électriques s’explique surtout par leur faible volume de production, d’abord parce qu’il n’y a pas encore de demande, et aussi que les outils de production sont calibrés pour des petites séries de prototypes. Le lancement d’un véhicule électrique populaire et les volumes qui en découlent devrait grandement contribuer à limiter les coûts de la batterie.

V – Renforcer l’approvisionnement et le recyclage du silicium des batteries du véhicule electrique

Batteire lithium d'une voiture électriqueLes batteries d’une voiture électrique comptent environ 5 kg de lithium (25kg de carbonate de lithium). Ainsi, pour un marché mondial de 60 millions de véhicules  électriques, il faudrait 300.000 tonnes de lithium pour les batteries. Ce chiffre est démesuré par rapport à la production mondiale : 30 000 tonnes en 2008. Pourtant, les ressources existent. Les réserves mondiales sont estimées à 11 millions de tonnes, principalement dans des gisements inexploités, au Canada, en Afrique, en Australie, en Bolivie et surtout au Tibet. Toute la filière d’approvisionnement est à créer, principalement dans des régions peu stables politiquement. Le développement de la voiture électrique risque donc d’avoir autant d’impacts géopolitiques que l’exploitation des gisements d’énergies fossiles. Le lithium est également présent dans les océans, en très faible concentration (0,2 g/m3) mais des chercheurs travaillent déjà à la mise en place de techniques d’extraction en Asie.

Une partie importante d’approvisionnement en lithium pourrait donc rapidement être le recyclage, une fois la première génération de batteries utilisées. Cela apparaît comme un point crucial pour que l’équation économique de la batterie lithium reste équilibrée. Deux solutions existent pour récupérer les matériaux de la batterie de la voiture électrique : chimique ou thermique. Les filières de recyclage restent à créer mais nul ne doute qu’elles se mettront rapidement en place si les voitures électriques se développent.

V – Vers des  batteries sans lithium ?

Si le lithium venait vraiment à manquer, la voiture électrique à batterie ne serait pas morte pour autant. D’autres perspectives restent envisageables. Des batteries fonctionnant par exemple au magnésium, un minerai très abondant, sont par exemple en cours de développement, bien qu’elles présentent aujourd’hui des performances trop limités pour la voiture electrique. Des équipes de chercheurs travaillent également à utiliser des enzymes de la biomasse afin de produire des molécules chargées électrochimiquement. Bref, les perspectives de développements autour de la batterie sont infinies !

Une autre alternative à la batterie pourrait venir des avancées sur les super condensateurs. Ces composants utilisent le principe de l’électricité statique pour accumuler des charges d’électrons entre deux plaques de métal. Ils présentent l’avantage d’avoir une durée de vie quasiment illimitée, d’utiliser des matériaux plus simples et d’être bon marchés. En revanche, leur densité énergétique est aujourd’hui trop faible pour qu’ils soient appliqués seuls aux véhicules électriques.

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La technique de la voiture électrique :

  1. Le moteur du véhicule électrique
  2. La batterie dans les voitures électriques
  3. L’électronique de puissance de la voiture electrique
  4. Le recours aux énergies renouvelables