Alors que le bus électrique pourrait se passer de batteries en s’alimentant depuis un trolley ou depuis le sol grâce à l’APS d’Alstom, les constructeurs continuent de miser prioritairement sur de lourdes batteries rechargées au dépôt. Onéreuses, elles n’offrent l’autonomie nécessaire à l’exploitation qu’au prix d’une masse élevée. Il faut donc améliorer la densité énergétique massique.
Améliorer la densité énergétique? Facile à dire! Les technologies actuelles ont choisi le lithium en raison de sa masse réduite. À part l’hydrogène et l’hélium, il n’y a pas plus léger que le lithium! Nous pouvons donc en rester là et considérer que les accumulateurs actuels tirent déjà le meilleur de ce que la nature a à leur offrir. Or le but de la recherche n’est justement pas d’en rester là! Elle est extrêmement active, elle apportera des progrès, mais elle ne divisera pas par dix le poids d’une batterie à capacité égale.
Même avec le lithium, la densité énergétique massique est actuellement de l’ordre de 0,15 à 0,2 kWh/kg pour les accumulateurs ordinaires alors que les carburants pétroliers dépassent 10 kWh/kg. Chef du service technologies batteries au laboratoire d’innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (LITEN) du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Sébastien Patoux précise « Il ne faut pas comparer la batterie d’accumulateurs à un réservoir de carburant conventionnel. La batterie ne l’égalera jamais. À partir de ce que nous connaissons aujourd’hui, je ne vois pas comment on pourrait faire mieux qu’avec le lithium ».
Schématiquement, une batterie de voiture électrique contient mille fois plus d’énergie que celle d’un ordinateur portable. C’est plutôt cinq mille fois plus dans le cas d’un bus électrique. L’électrification du parc roulant apparaît donc comme un relais de croissance pour l’industrie des accumulateurs après la généralisation des smartphones et autres appareils portables. Il entraîne une très forte demande auprès des fournisseurs de batteries ainsi qu’une concurrence entre eux. Ce contexte favorise la recherche. Les dépenses d’investissement (« capex ») étant très élevées dans cette industrie, la compétitivité n’est obtenue que par une massification de la production et donc, par une réduction de la diversité des chimies proposées. Les véhicules routiers devenant les principaux demandeurs d’accumulateurs, ils vont justifier une homogénéisation des chimies autour de celles qui leur sont nécessaires. Elles conviendront plutôt bien à la plupart des autres applications, depuis les appareils électroniques portatifs jusqu’aux emplois stationnaires. Comparés à ceux des véhicules routiers, les besoins en accumulateurs des environnements spatiaux, ferroviaires ou aéronautiques sont marginaux. À propos du spatial, on peut remarquer qu’il utilise les mêmes technologies de batteries que les applications terrestres, mais avec un niveau de qualité supérieur. Il est obtenu par la rigueur du processus d’assemblage des composants.
La première batterie lithium-ion a été commercialisée par Sony en 1991. Elle avait une densité énergétique massique de 0,09 kWh/kg. Cette densité et les performances ont ensuite progressé au cours des années 1990 par optimisation des procédés de fabrication ainsi que par amélioration des matériaux et des composants. Il fut par exemple possible de diminuer la masse de tout ce qui est inerte dans la cellule, par exemple celle du séparateur de l’électrode dont l’épaisseur a été réduite à 10 microns au lieu de plusieurs centaines de microns pour les premières générations. De même, l’épaisseur des collecteurs de courant a été réduite à 8 ou 10 microns. On est ainsi passé de 0,1 kWh/kg à environ 0,2 kWh/kg, les meilleures cellules lithium actuellement industrialisées approchent 0,3 kWh/kg. Les technologies concurrentes et sans lithium, par exemple Zebra, ont des performances nettement inférieures qui les orientent plutôt vers des applications stationnaires. Après cette première phase de progrès, la densité énergétique massique n’a que peu évolué au cours des sept dernières années. Outre cette densité, les progrès ont concerné la puissance, la durée de vie et la sécurité. Selon Sébastien Patoux, « les batteries lithium sont celles qui offrent aujourd’hui et offriront demain la meilleure densité d’énergie. Toute autre technologie aura une densité d’énergie plus faible ». Il y a actuellement une accélération des investissements dans les batteries lithium en raison de la croissance de la demande. L’augmentation des moyens accordés à la recherche permettra à la densité d’augmenter à nouveau, après la relative stagnation de ces dernières années. « On peut imaginer atteindre 0,4 ou 0,45 kWh/kg. Au-delà, ça devient compliqué, même sur le papier » déclare Sébastien Patoux.
La technologie lithium-air repose sur une réaction chimique qui fait intervenir l’oxygène de l’air. Le problème du lithium-air est qu’il n’y a pas que de l’oxygène dans l’air. Il y a aussi de l’azote qui perturbe le lithium ainsi que d’autres gaz qui nuisent au fonctionnement de l’accumulateur. Il est donc nécessaire d’installer des couches de protection qui assurent que seul l’oxygène réagit avec le lithium tout en permettant un fonctionnement réversible. C’est pourquoi le lithium-air est moins intéressant en pratique qu’en théorie. Avec le lithium-air, et en ne considérant que les constituants actifs, la densité énergétique massique se rapproche de celle des carburants pétroliers. Toutefois, en ajoutant l’emballage, les collecteurs de courant, les séparateurs, l’électrolyte et tout ce qui est indispensable au fonctionnement d’une batterie, la densité tombe à moins de 0,5 kWh/kg. Qu’il s’agisse du lithium-air ou du zinc-air, les « technologies air » sont difficilement réversibles, ce qui contribue à freiner leur développement.
Il y a quatre ans, le lithium-soufre laissait encore espérer 0,6 à 0,7 kWh/kg, mais cet espoir semble aujourd’hui déçu. De même, le lithium-air visait alors 1 kWh/kg et là encore l’objectif est apparu hors de portée. Par conséquent, les équipes de chercheurs se sont largement désintéressées du lithium-air. Le CEA envisage aujourd’hui cette technologie pour des applications non réversibles, très spécifiques et hors transport. La mode du lithium-air est donc passée. Le CEA reste en revanche très actif sur le lithium-soufre qui offre une bonne flexibilité et de grandes possibilités, une énergie massique meilleure que celle du lithium-ion, mais une énergie volumique moins favorable. Bien que le lithium-soufre laisse encore espérer 0,45, voire 0,5 kWh/kg, il n’est pas la technologie idéale pour toutes les applications car, comme le lithium-air et toutes les technologies lithium-métal, il est inadapté à la charge rapide qui entraîne une destruction rapide de ses matériaux.
Le sodium permet la fabrication d’accumulateurs selon des principes semblables à ceux appliqués au lithium. Le sodium est monovalent comme le lithium, mais il est nettement plus lourd que lui. Il n’y a pas de problème technique avec le sodium, mais le lithium a vis-à-vis de lui l’avantage de la masse, décisif pour les applications transport, et permet une tension de cellule plus élevée. En raison de l’abondance du sodium, la technologie sodium-ion peut sembler moins chère que le lithium-ion si l’on ne considère que le coût de la matière première. Cependant, le capex l’emportant, le coût final du sodium-ion sera plus élevé que celui du lithium-ion car ce dernier est plus performant. Il est aussi plus demandé et il concentre donc les investissements. Il y a quelques années, le sodium-ion représentait un gain en densité de puissance comparé à sa densité d’énergie. Cet avantage du sodium-ion s’est estompé avec l’arrivée du lithium-ion de puissance. Parmi les autres technologies, l’aluminium-ion est séduisant en théorie, mais se heurte aux contraintes pratiques. Quand on y ajoute tout ce qu’il faut pour que ça marche, ça n’est finalement pas mieux que le lithium-ion. Quant aux chimies calcium-ion et magnésium-ion, elles apparaissent encore plus utopiques. Ces technologies ne peuvent donc pas encore concurrencer le lithium-ion traditionnel.
Une batterie est l’assemblage d’un électrolyte, d’une électrode positive et d’une électrode négative. Ces dernières en sont les composants actifs. Leur couple détermine les caractéristiques de la cellule (tension de fonctionnement, puissance et densité d’énergie massique). Les technologies lithium-ion traditionnelles utilisent du graphite pour l’électrode négative. En le remplaçant par du titanate, on améliore la puissance. Le remplacement du graphite par du silicium ou par un composite silicium carbone améliore la densité d’énergie. Toshiba commercialise des accumulateurs lithium-ion titanate depuis plusieurs années (SCiB). Ils ont une très bonne durée de vie et de bonnes performances en puissance qui les prédisposent à la charge rapide. En revanche, cette technologie n’est pas la meilleure pour les densités d’énergie massique et volumique. D’autre part, son coût ramené au kWh/kg est relativement élevé. Quant à l’électrode positive, elle est généralement de type NMC (nickel, manganèse, cobalt) ou LFP (lithium, fer, phosphate). Courante en Chine, la technologie LFP se passe de cobalt. Cet élément apporte un gain d’énergie massique, mais il est susceptible de poser un problème d’approvisionnement puisque la moitié de son extraction a lieu en République démocratique du Congo. Au cours des dernières années, la prépondérance du lithium-ion NMC a été favorisée par la réduction de son coût et par l’allongement de la durée de vie des accumulateurs qui l’utilisent. La criticité de l’approvisionnement en cobalt motive les recherches visant à réduire sa proportion dans les batteries NMC où celle du nickel augmente. Les NMC de première génération avaient un ratio 1-1-1 entre les trois éléments. On est ensuite passé à un ratio 6-2-2, puis 8-1-1. Certains fabricants de cellules annoncent déjà du 9-0,5-0,5. Les investissements des industriels de la chimie en faveur du NMC, par exemple ceux d’Umicore, déterminent l’orientation de l’offre en faveur de cette technologie pour les prochaines années, avec une teneur en cobalt qui pourra encore diminuer. La recherche actuelle permet déjà de se passer totalement de cobalt dans les « NMC ». Toutefois, le cobalt aide beaucoup à stabiliser la structure, ce qui justifie encore sa présence dans les cellules produites par les industriels. « Il est moins utopique de prétendre produire des batteries « NMC » sans cobalt dans un avenir proche, que de prétendre industrialiser des batteries lithium-air à 1 kWh/kg, ou des batteries aluminium-ion. Actuellement, le lithium-ion NMC présente le meilleur compromis. Il est polyvalent et répond aux besoins d’un grand nombre d’applications. Il y aura pendant encore très longtemps des batteries lithium-ion utilisant des électrodes NMC et carbone (graphite). Progressivement, la quantité de silicium va augmenter. L’énergie de ces batteries va dépasser 0,3 kWh/kg. » explique Sébastien Patoux.
Les recherches actuelles du CEA concernent notamment le lithium-ion avec plus d’énergie, plus de puissance et moins de cobalt. L’emploi du silicium ainsi que, dans une moindre mesure, le lithium-soufre font partie des solutions en lesquelles le CEA croit. Il y a peu de perspectives d’amélioration du sodium-ion, mais c’est une technologie robuste qui fonctionnera et pour laquelle peut apparaître un marché. Installée à Amiens, la start-up Tiamat mise sur le développement du sodium-ion. Elle tire profit des travaux menés par le CEA et le CNRS entre 2014 et 2017. Une part importante des investissements actuels au profit du lithium-ion concerne l’électrolyte, c’est-à-dire le milieu qui conduit les ions lithium. Dans une batterie classique, l’électrolyte est liquide, à l’exception des lithium-polymères de Batscap (Bolloré). Le but est de passer d’un électrolyte actuellement liquide à un électrolyte sous forme de gel, voire à un électrolyte solide. Ce dernier devrait permettre d’améliorer la sécurité. Grâce à lui, il sera beaucoup plus difficile de mettre une cellule en court-circuit. En effet, si les électrodes positive et négative se touchent, la cellule s’emballe et prend feu.
Avec un électrolyte solide, on entrevoit la possibilité de revenir vers le lithium-métal qui permet un gain en énergie et a connu une amorce de commercialisation par Moli Energy dans les années 1980 avant l’envolée du lithium-ion. Ces premières batteries lithium-métal étaient performantes, mais décevantes quant à leur sécurité, ce qui a provoqué leur abandon. En laboratoire, beaucoup de tests sont faits avec du lithium-métal, mais c’est la technologie lithium-ion qui est utilisée lors de l’industrialisation pour des raisons de sécurité.
Le lithium-métal permettra d’atteindre 0,35 à 0,5 kWh/kg et donc de doubler l’énergie massique actuelle. Avancer sur le lithium-métal contribuera à progresser sur le lithium-air. Comme le lithium-soufre, l’électrolyte solide fait partie des perspectives à moyen terme. « Si un véhicule électrique a aujourd’hui 200 km d’autonomie, il ne faut pas imaginer qu’il pourra avoir une autonomie de 1 000 km prochainement en ne faisant évoluer que ses batteries », tempère Sébastien Patoux. La recherche d’autonomie pour les véhicules électriques ne doit donc pas s’appuyer que sur l’évolution des batteries dont les limites à moyen terme sont assez bien cernées. Considérant ce qui précède, la voie de la raison ne consiste-t-elle pas à se passer de batteries pour les bus et à les alimenter par une ligne de contact aérienne ou par un dispositif noyé dans la chaussée?