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Innovation et évolution des batteries électriques de voitures

Batterie voiture electrique - image par ssarwas0

Innovations

Innovation et évolution des batteries électriques de voitures

Par la rédaction

Le 25/08/2020 et modifié le 11/03/2021

Des batteries au plomb à celles au lithium ion, les accumulateurs des véhicules électriques ont connu de nombreuses améliorations. Ces transformations sont liées intrinsèquement à l'histoire de l'automobile. La modernisation des véhicules électriques coïncide ainsi de près ou de loin à une innovation plus ou moins majeure dans la technologie de l'accumulateur.

Le Lithium-soufre, une technologie efficace, abordable et durable

Le Lithium-soufre est une technologie aux usages multiples, les batteries de ce type étant utilisables à la fois sur les petits équipements, comme les téléphones, jusqu'aux véhicules électriques

Selon les scientifiques, une voiture équipée d'une batterie Lithium-soufre devrait gagner en autonomie, celle-ci passant à 1 600 km contre environ 400 sur les accumulateurs Lithium-ion.

Une équipe de l'université indienne de Shiv Nadar travaille ainsi depuis 5 ans sur ce type de batterie dont les qualités lui permettront à coup sûr de devenir l'une des meilleures alternatives aux accumulateurs Lithium-ion.

Parmi les avantages de cette solution, les chercheurs précisent tout d'abord que le coût de fabrication d'une batterie Lithium-soufre est de loin moins élevé par rapport à celui des accumulateurs fonctionnant au Lithium-ion. Cette différence sur le plan financier n'est par ailleurs que l'un des nombreux atouts des batteries au Lithium-soufre, car leur fabrication a aussi cette qualité de s'appuyer sur la chimie verte.

Pour produire une batterie au Lithium-soufre, les chercheurs annoncent en effet que les éléments cathodiques sont récupérés pour la plupart de débris issus d'autres industries. Le soufre utilisé est ainsi un sous-produit issu des activités pétrolières, le cardanol est un élément provenant des déchets agricoles et des copolymères, alors que l'eugénol provient de l'huile de girofle.

Les annonces les plus récentes des chercheurs travaillant sur le Lithium-soufre assurent que le développement de cette technologie est en bonne voie. Parmi les écueils qu'il fallait résoudre dans le cadre de leur recherche, la forte volatilité de cette technologie la rendant plus dangereuse que les autres à haute température nécessitait de trouver une solution.

L'équipe de recherche indique ainsi dans sa dernière communication que ce problème est sur le point d'être résolu, des tests effectués avec une cathode composée de soufre et d'eugénol étant convaincants. 

 

La batterie solide, une évolution pour les voitures électriques

Les voitures électriques tardent à s'imposer sur le marché mondial en raison de leurs batteries. Cet élément central équipant les véhicules électriques dénombre plusieurs points d'améliorations sur lesquels les constructeurs doivent encore travailler. 

Même si depuis quelques années les batteries au Lithium-ion promettent des performances assez satisfaisantes par rapport aux premières versions d'accumulateurs, leur autonomie permet de parcourir à peine quelques centaines de kilomètres.

La batterie solide est ainsi annoncée comme une évolution majeure dans l'univers des véhicules électriques. Cette technologie toujours basée sur l'utilisation du Lithium permettrait aux VE de profiter d'une autonomie dépassant 600 kilomètres, voire 800 kilomètres selon les annonces du constructeur Fisker.

La batterie solide n'est autre qu'un accumulateur dont le principe de fonctionnement reste le même par rapport aux précédentes générations d'accumulateurs. 

De manière conventionnelle, l'électrolyte placé entre l'anode et la cathode prend une forme liquide sur les batteries de génération précédente. Cet élément devient désormais solide pour cette nouvelle technologie de batteries, changeant la donne en matière de performances. Moins inflammable que la version liquide, l'électrolyte solide nécessite l'installation d'un nombre infime de capteurs dans la batterie. 

L'accumulateur gagne alors en densité énergétique, d'où un gain important en performance et en autonomie.

 

QuantumScape dévoile une technologie de batterie lithium-métal innovante

La start-up américaine QuantumScape vient-elle de décrocher le Graal des batteries lithium-ion ? Début décembre 2020, cette jeune société indique travailler sur une nouvelle technologie utilisant une cellule tout-solide largement plus performante que tous les modèles existants.

Une cellule de batterie au lithium tout-solide

Lors d’une conférence en ligne le 8 décembre 2020, QuantumScape a marqué les esprits avec sa nouvelle cellule de batterie tout-solide. Cette innovation repose sur une électrode négative en lithium métallique, là où les accus classiques utilisent du graphite en guise de structure d’accueil des ions lithium.

Le recours à cette anode en lithium pur est rendu possible grâce à un électrolyte solide. Ce dernier bloque le phénomène de formation de dendrites, ces excroissances qui apparaissent lors des cycles de charge-décharge d’une batterie lithium-ion classique. Lors de la conférence, Stanley Whittingham, colauréat du Nobel de chimie 2019, se félicite des résultats très probants de cette cellule lors des tests menés par QuantumScape.

 

Une exploitation industrielle dès 2025

Ces essais ont montré que cette nouvelle technologie offre une autonomie jusqu’à 80 % supérieure par rapport aux batteries d’aujourd’hui. Sa capacité massique d’énergie atteint 400 Wh/kg, et sa capacité volumique, 1000 Wh/L, contre respectivement 300 Wh/kg et 700 Wh/L pour les cellules les plus avancées actuellement. 

Cette batterie peut récupérer 80 % de sa charge totale en un quart d’heure et affiche une longévité supérieure à 800 cycles à 30°.

Autre point remarquable : ce modèle tout-solide fonctionne très bien à des températures relativement basses et conserverait même son efficacité jusqu’à -30°. Volkswagen, partenaire industriel de QuantumScape semble en tout cas conquis. Le groupe prévoit d’ores et déjà d’embarquer cette technologie sur ses voitures dès 2025. La construction d’une usine de production dédiée devrait commencer en 2022.

 

Batteries fluorure ion : 1 000 km d'autonomie ?

Au-delà de la batterie solide Lithium-ion, d'autres voies sont également explorées en matière de technologies destinées à accroître les performances des accumulateurs destinés aux véhicules électriques. Au pays du Soleil Levant, le groupe nippon Toyota mène des recherches avec des universités locales dans le développement d'une batterie dénommée FIB, pour Fluoride-Ion Battery.

Point de Lithium donc au sein de ce nouveau type de batterie, mais place aux ions fluorure, générant de l'électricité en passant d'une électrode à l'autre via un électrolyte solide conducteur. L'électrode chargée négativement est cette fois composée de cuivre, de cobalt et de fluor, tandis que celle chargée positivement est formée de lanthane.

Selon les chercheurs, les batteries de ce type offrent une densité d'énergie plus élevée. Les potentiels de ces accumulateurs seraient alors impressionnants, car en théorie, leur autonomie serait 7 fois supérieure à celle des batteries Li-ion actuelles. 

Le nouvel accumulateur fluorure ion parviendrait alors à générer de l'électricité permettant à un véhicule de parcourir jusqu'à 1 000 km avec une seule charge. Toujours en développement, cette technologie devrait arriver à maturité à l'horizon 2030.

 

Lithium-ion : une technologie en développement permanent

Électrolyte solide, fluorure-ion, etc. , alors que ces nouvelles technologies de batteries électriques commencent à se montrer, le Lithium-ion est encore loin de tirer sa révérence. Au cours des récents mois, les constructeurs de véhicules électriques et les fournisseurs d'accumulateurs enchaînent les révélations autour de ce qui devrait être la batterie du futur, dont le fonctionnement est toujours basé sur l'utilisation du Lithium-ion.

Le principal fournisseur de batteries électriques auprès des plus grandes marques mondiales comme Honda, Tesla, Toyota ou PSA annonce ainsi la disponibilité d'un accumulateur aux performances redoutables. 

Cet industriel basé en Chine portant le nom de CATL ou Contemporary Amperex Technology Limited révèle que sa batterie profite d'une durée de vie de 16 ans, permettant à un véhicule de parcourir environ 2 millions de kilomètres. Si aucun détail n'est développé autour de cette batterie électrique, beaucoup d'observateurs estiment qu'elle devrait équiper la Model 3 de Tesla fin 2020 ou début 2021.

 

800 km avec 2 charges de 10 minutes : une promesse signée SK Innovation

Les voitures électriques et hybrides peinent à séduire en raison entre autres des performances limitées de leurs batteries. La longue durée pour la recharge de ces accumulateurs ou encore leur faible autonomie sont des inconvénients pour que ces véhicules s'imposent davantage sur le marché.

SK Innovation développe ainsi des batteries plus performantes destinées à ces véhicules électriques et hybrides. Au cours de l'événement InterBattery 2020 organisé en octobre 2020 à Séoul, la compagnie coréenne dévoile ses dernières actualités. 

Cette marque qui fait partie du top 5 mondial de l'industrie des batteries électriques compte ainsi achever d'ici la fin de l'année, ou au premier semestre 2021, le développement d'une prochaine génération de batteries lithium-ion

Les performances de ces futurs accumulateurs seraient alors très intéressantes, permettant de parcourir 800 km avec seulement 2 charges rapides d'une durée de 10 minutes chacune.

Même si aucun détail supplémentaire n'a filtré sur les autres caractéristiques de ces futures batteries à charge rapide, SK Innovation assure que c'est l'une des compagnies les plus engagées pour le gain en performances des accumulateurs. 

Outre ces batteries à charge rapide, la société travaille ainsi sur d'autres modèles permettant de parcourir de longues distances. Des essais routiers ont ainsi été réalisés permettant à SK Innovation d'atteindre 1 000 km dans des conditions optimales de conduite avec l'une de ses batteries en cours de développement.

 

Evolution du prix des batteries

En 10 ans selon BloombergNEF le prix des batteries Lithium-ion à baissé de 89% il est passé de 1 100 $ le Kilowattheure en 2010 à 137 $ en 2020 et devrait continuer de baisser jusqu'à passer sous les 100 $ d'ici 4 ans.

 

Batteries sodium-ion : le savoir-faire tricolore dans la course

Les chercheurs français sont également en pointe dans la quête d'une nouvelle technologie pour optimiser les batteries et leurs performances. L'une des start-ups œuvrant dans ce domaine, Tiamat, déploie son axe de travail sur la technologie sodium-ion

Les atouts de ce métal sont nombreux et les conséquences de l'exploitation de cette technologie devraient être intéressantes, notamment du point de vue environnemental.

La principale matière première de ces accumulateurs étant le sodium, son extraction est tout d'abord assurée d'être financièrement moins gourmande que l'exploitation du lithium. 

L'un des principaux avantages du sodium est en effet sa grande disponibilité, cet élément étant bien plus abondant dans la nature que le lithium. 

Les électrodes des batteries sodium-ion sont également recouvertes de sodium enrichi et de carbone dur, à la différence de celles présentes sur la grande majorité des accumulateurs Li-ion qui sont tapissées de leur côté d'une couche de cobalt, une matière dont l'exploitation en Afrique suscite des problématiques récurrentes.

Les avantages de cette technologie sodium-ion sont intéressants, car les batteries sont plus durables que leurs équivalentes en Lithium-ion et offrent même la possibilité d'une recharge rapide réalisable en 5 minutes seulement.

 

Technologie CTC : pour gagner en poids et en autonomie sur les VE (Véhicules Electriques)

L'une des plus récentes recherches menées pour optimiser les batteries électriques est réalisée en Chine par la compagnie CATL. La firme indique développer un projet d'accumulateur selon le principe du Cell to Chassis ou CTC. Comme son nom l'indique, cette technologie diffère des autres en raison de l'intégration des éléments de la batterie sur le châssis.

Avec le CTC, le procédé conventionnel de fabrication d'une batterie électrique est bouleversé. Habituellement, la démarche pour l'assemblage d'un accumulateur consiste à produire dans un premier temps les cellules, puis à les combiner en plusieurs modules qu'il faut ensuite assembler dans un pack. 

En intégrant directement les cellules dans le châssis des véhicules électriques, le concept Cell to Chassis vise ainsi à supprimer les étapes d'assemblage en modules puis au sein des packs.

Les atouts d'une telle technologie peuvent être nombreux, comme celui de proposer un accumulateur offrant une densité d'énergie plus élevée, et probablement une réduction des coûts de sa fabrication

Des interrogations subsistent néanmoins sur certains points autour de ce récent projet du fabricant CATL, notamment sur la technique de remplacement de cellules défectueuses de l'accumulateur lorsque ses cellules sont intégrées dans le châssis.

 

Batterie électrique : 1 000 à 2 000 km d’autonomie avec les batteries SALD

Novembre 2020 

La technologie SALD est une autre ingénierie nourrissant de grands espoirs afin d’accroître les performances des batteries destinées aux véhicules électriques. 

Fruit des recherches d’organisations néerlandaises et allemandes, le procédé SALD est aujourd’hui breveté. Il devrait permettre aux voitures fonctionnant à l’électricité de profiter d’une autonomie dépassant 1 000 km ou 2 000 km en fonction de la taille de leur batterie.

SALD est l’acronyme de Spatial Atom Layer Deposition, expression traduite littéralement par « Dépôt de couche atomique spatiale ». Cette technologie se réfère donc à un procédé d’application de revêtements aussi minces que l’épaisseur d’un atome

Dans la fabrication de batteries électriques, cette couche ultrafine est potentiellement exploitable dans la conception des électrodes et des cellules.

Posée sur la cathode et l’anode, cette couche ultrafine devrait par exemple améliorer le flux d’ions entre ces électrodes. 

Les performances des batteries augmenteraient donc de manière importante, promettant une autonomie 3 fois plus élevée et une durée de charge 5 fois plus rapide que celles proposées actuellement selon les concepteurs de la technologie SALD. 

Les batteries intégrant ce procédé sont attendues au plus tôt dans les années 2022-2023.

 

Une technologie révolutionnaire développée en France - Novembre 2020

Les batteries électriques constitueront une partie des sources de stockage d’énergie de demain. Fortes de cette perspective, les entreprises se consacrent à diverses innovations. L’objectif est de développer des batteries aux performances élevées tout en garantissant un coût environnemental minime.

Des entreprises françaises relèvent ce défi. Nawa Technologies, basée dans la région d’Aix-en-Provence, propose une technologie révolutionnaire répondant parfaitement aux besoins de performances et aux obligations environnementales. Plus qu’une innovation, l’entreprise indique que son procédé est une technologie de rupture.

La technologie développée par l’entreprise repose sur des électrodes constituées de nanotubes de carbone alignés verticalement

Grâce à leurs fonctionnalités, il est possible de concevoir des super condensateurs de haute densité d’énergie permettant une recharge très rapide

Le développement de ces nouvelles électrodes permettra aussi de créer des batteries de nouvelle génération dont l’autonomie ira jusqu’à 800 ou 1 000 km pour une recharge de 5 minutes.

 

Historique de l’évolution des batteries

Les accumulateurs au plomb

Les premières voitures électriques de l'histoire fonctionnaient avec ce type de batterie et, aujourd'hui encore, les accumulateurs de certains véhicules tirent toujours parti du plomb pour créer de l'énergie. 

Ces accumulateurs sont les plus économiques, lorsqu'il faut les confronter aux autres types de batteries. 

Leur coût extrêmement bas est l'un de leurs principaux avantages, ajouté également à leur flexibilité, ces accumulateurs étant utilisables aussi bien sur les voitures électriques que pour de nombreuses autres applications.

 

Les accumulateurs lithium ion

L'autonomie des véhicules électriques étant assez limitée avec les accumulateurs au plomb, au nickel-cadmium et au nickel-métal hydrure, une nouvelle technologie de batteries était attendue. Au fil de l'histoire, les travaux distincts de plusieurs scientifiques permettent d'améliorer les performances des accumulateurs lithium-ion. 

L'invention découverte d'abord par Stanley Whittingham dans les années 1970 a été développée durant la décennie 1980 par John Goodenough puis optimisée pour une version commerciale par Akira Yoshino.

Grâce aux évolutions, l'accumulateur lithium-ion devient une version stable, légère et résistante dès les premières années de la décennie 1990 et il est commercialisé en 1991. 

Depuis ces années, le lithium-ion s'est imposé comme la technologie de référence dans les accumulateurs et aujourd'hui, une grande partie des véhicules électriques disposent d'une batterie de ce type. 

Sa durée de vie étendue, par rapport aux autres types d'accumulateur, sa densité d'énergie bien supérieure ou encore sa courte durée de charge sont quelques-uns de ses atouts.

 

Les accumulateurs au nickel-cadmium

Les besoins en énergie étant de plus en plus croissants, les scientifiques mènent en permanence des travaux pour optimiser le stockage de l'électricité. L'invention en 1899 de l'accumulateur au nickel-cadmium est attribuée au Suédois Waldmar Jungner et l'optimisation de son étanchéité et de fonctionnement est accordée à l'Allemand Neumann. Les travaux de ces deux pionniers ont permis aux chercheurs contemporains de concevoir la batterie moderne et étanche au nickel-cadmium.

Commercialisés depuis les années 1990 sous divers formats, ces accumulateurs disposent également de leurs variantes de capacité importante et destinées à l'alimentation des premiers véhicules électriques produits avant la décennie 2000. 

Parmi leurs avantages, les batteries au nickel-cadmium ont cet atout de supporter des cycles de recharge allant de 500 à 1 000. Malheureusement, en raison de la toxicité du cadmium, leur développement a été abandonné au profit d’autres technologies.

 

Les accumulateurs au nickel-métal hydrure

Les batteries au nickel-cadmium ayant montré leurs limites en raison notamment de la toxicité du cadmium, les accumulateurs au nickel-métal hydrure les ont supplantées sur le marché. 

Dans le monde, le marché des batteries étant en constante évolution, les ingénieurs ont développé une technologie créée dans les années 1970 : le nickel-métal hydrure. Les composants principaux de cet accumulateur sont ainsi le métal hydrure Mh et le nickel Ni, le premier étant un composé permettant de stocker de l'hydrogène et le second servant d'électrode positive.

Dès les années 1990, l'usage des batteries au nickel métal-hydrure s'est répandu, ces accumulateurs ayant cet atout de supporter une charge électrique rapide. 

Les performances des batteries Ni-Mh sont comparables à celles des accumulateurs au nickel-cadmium

Leur succès vient également de l'absence de l'utilisation de métaux lourds pour leur fabrication.

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