Quelles batteries pour les véhicules électriques de demain ?

Motorisations hybrides, hybrides rechargeables ou tout électrique : les technologies de la voiture écologique se précisent de jour en jour. Au cœur de ces nouveaux systèmes de propulsion : la batterie.  

Celle-ci a beaucoup évolué ces dernières années en termes de performances de sécurité, d’autonomie et de durabilité.
Elle apparait comme une solution pour l’automobile mais aussi comme un outil de transition technologique et une étape indispensable dans une perspective de mobilité zéro émission.  

L’avenir du véhicule électrique est en effet, à courts et moyens termes, indissociable des performances des batteries. Ainsi la Recherche et Développement dans ce domaine est devenue une priorité et un enjeu stratégique majeur pour la plupart des constructeurs, voire une condition de leur survie.

Tour d’horizon d’une technologie en pleine évolution, qui pourrait révolutionner le monde de l’automobile et des transports.

La révolution du lithium 

Si la voiture électrique n’a jusqu’ici pas réussi à s’imposer face au véhicule à moteur thermique, plus efficace au plan énergétique, elle revient en force au début du XXIe siècle grâce à une avancée technologue majeure : les batteries au lithium (notamment le Lithium-ion). Issues du monde de l’électronique portable, celles-ci font leur apparition dans l’automobile pour la première fois en 1996 sur le prototype Nissan Prairie Joy, développée avec Sony Corporation.  

Bien plus performante, cette nouvelle génération d’accumulateurs au Lithium-ion va ouvrir de nouvelles perspectives au véhicule électrique. Dès lors, concept-car et expérimentations à petite échelle s’enchaînent. C’est l’émulation générale. Avec comme plus bel exemple la très sportive Tesla Roadster, armée de packs de batteries Li-ion, et commercialisée depuis 2005 par la jeune firme américaine Tesla Motors. Les stars américaines l’adoptent ; désormais, la voiture électrique sort de l’ombre et peut aussi faire rêver. Tout le monde lorgne sur cette technologie d’avenir.  

En Chine, le constructeur Byd investit massivement dans ce domaine après avoir présenté en 1998 la F3DM, premier modèle hybride rechargeable équipé de batteries Li-ion. Si bien que l’homme d’affaire américain Warren Buffet décide, à la surprise générale, d’investir 230 millions de dollars dans l’entreprise acquérant ainsi 10 % de son capital.  

Le groupe américain GM mise également sur la technologie Li-ion pour produire son future modèle hybride rechargeable, la Volt, censée redresser l’industrie automobile américaine et sauver le groupe de la faillite.  

Tandis que l’Alliance Renault-Nissan lance une grande offensive sur le front du véhicule 100% électrique avec plusieurs modèles bientôt commercialisés : la Nissan Leaf et la Renault Fluence notamment. Une nouvelle ère commence.

Si la batterie Lithium-ion semble s’imposer chez la plupart des constructeurs, des alternatives existent. Ainsi le fabricant de batteries français Bolloré mise sur le Lithium-Polymère avec sa BlueCar.  

Avantage de ce type de batterie : elles sont plus stables (donc plus sûres) et disposent d’une meilleure capacité massique (une autonomie accrue d’environ 250 km). Seul problème, elles ne supportent pas la recharge rapide et tolère moins de cycles de recharges normales au cours de leur vie.  

Par ailleurs, les anciennes batteries nickel-hydrure métallique (NiMH) restent encore d’actualité sur les véhicules hybrides actuels, telle que la Toyota Prius. Cela pour des raisons de coûts plus faibles et parce qu’elles permettent d’apporter un complément de puissance au moteur thermique. 


Les avantages du lithium-ion

Par rapport aux accumulateurs nickel-hydrure métallique (NiMH), les batteries Li-ion progressent à tous les niveaux (taille, poids, puissance et performances). Elles disposent en effet d’une plus grande densité énergétique et donc d’une capacité de stockage plus importante. Résultat : elles permettent d’assurer au véhicule électrique ou hybride rechargeable une autonomie enfin acceptable, entre 100 et 200 km, soit 2 à 3 fois plus de kilométrage qu’avant.  

Autre avantage des batteries Li-ion : elles ne connaissent pas d’effet mémoire et donc ne craignent pas les cycles de recharge incomplets.  

Contrairement aux anciennes batteries qui, en cas de charges partielles, accusent une chute brutale de leur capacité et donc une usure prématurée.

Par ailleurs, de gros progrès ont été réalisés en matière de durabilité : une batterie Lithium-ion est censée conserver 80 % de sa capacité à partir de sa sixième année de vie et jusqu’à son dixième anniversaire. "Une belle autonomie générale a été atteinte", estime Bruno Monsuez, enseignant chercheur à l’ENSTA (Ecole Nationale Supérieure de Techniques Avancées). 

 
Une sécurité maitrisée

Comme tout système de stockage d’énergie, une batterie n’est pas un objet inerte. Du fait de sa densité énergétique importante, elle est susceptible de causer des courts-circuits, lesquels peuvent provoquer des incendies voire des explosions. "Plus l’ampérage est important, plus le risque est élevé " rappelle Bruno Monsuez, de l’ENSTA. "Il faut donc optimiser l’assemblage et le positionnements des éléments, et bien les isoler entre eux".

Longtemps jugées dangereuses, les batteries Li-ion pour véhicules sont devenues sûres. "Aujourd’hui, la plupart des risques ont été levés. De nombreux crash-test ont été réalisés au cours des dix dernières années et on dispose aujourd’hui d’un bon retour sur expérience."  

La conception des batteries fait l’objet de grandes précautions, notamment au niveau des matériaux (à base de manganèse), de la structure (laminée pour contrôler la chaleur) et de la gestion.

Conçue comme un bloc compact isolé du reste de la voiture, la batterie doit pouvoir résister aux chocs et être protégée aussi bien à l’extérieur qu’à l’intérieur. Ainsi tous les éléments de la batterie sont réunis dans un même caisson métallique ou en matériaux composites, et non répartis dans le véhicule pour faciliter leur intégration.  

Solide mais lourde, une batterie pèse entre 150 et 300 kg. Elle nécessite donc une implantation particulière. En général, elle est placée en position ventrale et centrale au niveau du châssis, le plus bas et le plus à plat possible pour optimiser le comportement dynamique du véhicule et éviter les risques de retournement. 

 
Recharge normale et rapide

La charge complète d’une batterie Li-ion standard dure environ 4 à 8 heures.  

L’opération est simple et peut être effectuée n’importe où à partir d’une prise secteur (voir prochain paragraphe), chez soi, au travail, dans la rue, les parcs de stationnement ou les centres commerciaux. Potentiellement, les points de recharge sont bien plus nombreux que les stations distribuant du carburant.

Autre avantage du lithium-ion, la charge rapide qui permet de remplir sa batterie à 80 % en 20 minutes grâce à un équipement spécifique et une source haute tension (400 Volt, 63 Ampère, triphasé).  

Selon les experts, près de 95 % des besoins seront toutefois couverts par la charge "normale" (230 Volt, 16 Ampère, monophasé).  


Standardisation des prises, technologie sans fil et plateformes d’échange.  

Actuellement, constructeurs automobiles, équipementiers et énergéticiens travaillent à définir des prises et des socles électriques normalisés et universels pour permettre aux usagers de recharger facilement leur véhicule électrique ou hybride rechargeable.  

Différentes des prises domestiques standards, les prises de charges pour véhicules électriques seront donc « dédiées » et « spécifiques » afin de supporter des contraintes thermiques et mécaniques fortes (branchements et débranchements fréquents).  

Elles devront s’adapter aussi bien à la charge lente que rapide, et être installées en tout lieu (parking, voiries, domicile…) et partout en Europe.  

Un groupe de travail franco-allemand, animé par EDF et Daimler, a déjà rendu ses conclusions en vue d’une future normalisation européenne. En attendant, l’offre de connecteurs pour véhicule électrique est déjà multiple : la société japonaise Yazaki et l’allemand Mennekes proposent chacun des produits dédiés.

A l’avenir, il sera également possible de recharger un véhicule électrique ou hybride sans connexion directe, donc sans fil, en utilisant le principe d’induction : un champ magnétique qui génère un courant sur une bobine distante.  
Nissan travaille déjà sur ce système et envisage de le proposer en option sur la Leaf.  

Basée en Virginie, la société américaine Evatran prévoit, elle, de lancer fin 2010 un système de recharge sans fil compatible avec plusieurs types de véhicules.

L’autre solution et l’alternative à la recharge manuelle des batteries, c’est la location. Le principe : remplacer sa batterie dans une station au lieu de la recharger.  

Entièrement automatisée, l’opération de démontage-remontage prend environ trois minutes. Cette solution, proposée par la société californienne Better Place en partenariat avec l’Alliance Renault-Nissan, est en cours de déploiement en Israël. Le projet nécessite l’installation d’une infrastructure lourde sur l’ensemble du territoire, mais elle pourrait à termes faire baisser le coût des batteries. 

Le lithium, une source d’énergie abondante

Composant essentiel des batteries actuelles, le lithium est un métal mou et léger d’origine minérale. C’est une source d’énergie non renouvelable, mais disponible en grande qualité sur Terre (33e élément le plus abondant sur la planète).  

Les ressources mondiales exploitables sont évaluées entre 7 et 28 millions de tonnes, selon l’Ademe. Le plus grand gisement au monde se trouve dans le sud-ouest de la Bolivie. Il représente à lui seul un tiers des ressources mondiales.  

Premier exportateur de lithium (39,3 % de la production mondiale*), le Chili possède la deuxième plus grande réserve avec le Salar d'Atacama.  

Viennent ensuite la Chine (13,3 %) et l'Argentine (9,8 %).  

D'autres gisements sont exploités, notamment les lacs salés au Tibet ainsi que des mines en Australie, en Russie et aux Etats-Unis.  

La Méditerranée contiendrait également une des plus importantes réserves de lithium au monde, ce qui représente une opportunité pour les pays d’Europe et d’Afrique du nord de se lancer dans la production.

Cependant, le lithium n’est pas facile à extraire contrairement au pétrole. A cause de sa grande réactivité à l’eau et à l’air, il ne peut être prélevé directement sous forme métallique, mais à l’état d’impureté dans les sels issus d'autres métaux alcalins.  

Son extraction et son raffinement sont donc des opérations longues, complexes et coûteuses, qui impliquent de gros moyens techniques et financiers. Du fait de la forte demande pour le marché de l'informatique et de la téléphonie, le prix du lithium a explosé ces dernières années, passant d'environ 350 dollars la tonne en 2003 à près de 3000 dollars en 2008. Avec l’avènement de la voiture électrique, cette hausse pourrait donc s’accentuer.  

*Chiffres de la production de lithium à l'échelle mondial, USGS (Institut d'études géologique des Etats-Unis), 7 janvier 2009 



La production s’accélère

Depuis quelques années, les alliances stratégiques et les créations de joint-venture se multiplient entre constructeurs automobile et fabricants de batteries.  

Exemple : le groupe Renault-Nissan a crée une co-entreprise en 2007, AESC (Automotive Energy Supply Corporation), avec le fournisseur japonais NEC. La production des batteries a commencé en 2009 dans une usine située sur le site de Zama au Japon. Le groupe a également annoncé la création d’une joint-venture à Flins en France pour produire des batteries Li-ion en grande quantité (jusqu’à 100 000 par an) à partir de 2012. De quoi approvisionner les véhicules électriques du groupe mais aussi d’autres constructeurs.

De l’autre côté de l’Atlantique, l’américain Général Motors s’est associé avec les entreprises LG Chem (Michigan) et A123Systems (Massachussetts) pour produire des batteries Li-ion pour ses futurs modèles hybrides rechargeables (Chevrolet Volt et Opel Ampera), mais aussi pour d’autres types de transports : bus, camions et même avions.

En passe d’être racheté par PSA, le japonais Mitsubishi Motors produit déjà ses propres batteries Li-ion pour sa citadine i-MiEV et ses futurs dérivés Peugeot et Citroën. Le géant allemand Volkswagen mise également sur le savoir-faire nippon à travers son partenariat avec Sanyo. 

Tandis que Mercedes et BMW ont choisi la co-entreprise SAFT-Johnson Controls pour fournir les batteries des modèles Mercedes Classe S hybride et BMW Série 7 ActiveHybrid. Déjà implantée aux Etats-Unis dans le Michigan, cette structure franco-américaine a inauguré une nouvelle usine, le 19 juin dernier à Nersac en Charente, capable de produire plusieurs millions de batteries par ans !   


Recyclables à 90 %

D’après Maxime Pasquier de l’Ademe (Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie), une batterie Li-ion pour véhicule nécessite entre 1 et 3 kg de lithium. Il faudrait entre 4 et 10 millions de tonnes de lithium pour assurer la production de 2 milliards de véhicules dans le monde. Si les réserves (entre 7 et 28 millions de tonnes estimées) pourraient suffire à assurer une production en masse de batteries Li-ion pour véhicule, reste la question essentielle du recyclage pour la protection de l’environnement mais aussi pour le renouvellement des batteries.  
 
"Une batterie Li-ion est recyclable à 90 %, seuls les solvants organiques sont impossibles à traiter et engendrent des déchets".

Des groupes de travail sont déjà à l’œuvre pour trouver des solutions en faveur du recyclage complet des batteries issues de l’automobiles ; et ce avec l’aide des filières de recyclage existantes dans le domaine des batteries (informatique, téléphonie mobile…). 

Ce dossier est issu de celui publié ici :

http://www.mobilite-durable.org/dossier-du-mois/en-bref/batteries-et-vehicules-electriques.html

Reste une question fondamentale : celle de la normalisation des batteries :

1- pour l'interchangeabilité des batteries dans les portiques d'échange type "Betterplace" ;

2- pour ouvrir le marché des batteries qui représente un coût non négligeable de la voiture électrique (sans retrouver une problématique de type batteries toutes différentes des téléphones portables).

Le BLOGaL va continuer son enquête ...

Alexis