La batterie d’une moto électrique : enjeux et fonctionnement

La question à 1 million d’euros : une batterie de moto électrique peut-elle être à la fois être écologique et performante ?

Julien Vaïssette

Fanatique d'Excel, adepte de Camus & ingénieur en mécanique ・ Suivez la conception de mon prototype de moto électrique en cliquant ici.

couverture batterie © jean charles barbe
  1. Pourquoi le pétrole n’est plus une solution

    On peut résumer ça en 2 points : premièrement le pétrole s’épuise, et deuxièmement il participe à libérer des gaz à effet de serre qui étouffe lentement notre planète (et donc nous). Et passer à l’électrique n’est pas une si mauvaise idée. Bon, là c’est vraiment pour résumer. Vous devriez vraiment lire la version plus documentée.

  2. Comment fonctionne une batterie

    L’électricité n’en fait qu’à sa tête, et il faut trouver un moyen de la canaliser. Pour ça, on a trouvé une solution au nom barbare : le stockage électrochimique (je vous avais prévenu). C’est pas facile à expliquer, surtout la partie qui concerne l’oxydo-réduction. Mais à la fin de cet article, vous aurez compris comment une batterie se charge et se décharge. Vous comprendrez aussi ce qui différencie une batterie de téléphone d’une batterie de véhicule électrique, et comment est assemblée une batterie (en théorie seulement, on viendra à la pratique dans un autre article).

  3. Est-ce que les batteries sont écologiques ?

    Ouh, le sujet qui fâche. On va parler de cobalt et de lithium et des minerais qui s’épuisent plus vite que le pétrole.

  4. Comment choisir une batterie de moto électrique

    Au final, on fait quoi ?

J’ai eu l’idée de construire une moto électrique quand j’étais encore en école d’ingénieur.

Mon raisonnement était simple : en plus d’être une ressource fossile qui viendra à manquer, le pétrole est à la source de la plupart des problèmes de notre société.

Alors j’ai décidé de ne pas entrer dans son jeu.

J’ai choisi de chercher une autre voie, plus sereine et responsable. Mon amour pour les engins qui roulent a fait le reste : c’était décidé, j’allais construire une moto électrique.

De cette manière, je m’extirpe des mécanismes (écœurants) des pétroliers qui ont droit de vie et de mort sur l’économie d’un pays. Et j’agis pour l’environnement.

Fantastique, non ?

Pas vraiment.

Car dernièrement, j’ai découvert que certains pétroliers commençaient à loucher sur les véhicules électriques. Pas nécessairement pour leur faire la guerre, mais plutôt parce qu’ils ont flairé le bon filon.

Ce filon, ils le connaissent bien : c’est de fouiller dans le sol pour trouver des matériaux précieux, et les vendre. Parmi eux, le cobalt et le lithium utilisés dans les batteries des véhicules électriques.

On retrouve alors ces mêmes acteurs du pétrole. Ils ont juste changé de casquette.

Mais si ce sont les mêmes acteurs qui déterrent les matériaux nécessaires à nos batteries, les motos électriques peuvent-elles toujours prétendre être une bonne solution ?

La batterie serait-elle alors le tendon d’Achille des motos électriques, les empêchant à tout jamais d’être écologiques ?

batterie lithium ion © jean charles barbe

Le problème du pétrole

Avant même de savoir si les batteries sont une bonne réponse, il paraît nécessaire de questionner les véhicules électriques. Car s’ils n’apportent rien, nous n’avons même pas besoin de nous fatiguer à étudier la pertinence des batteries.

Ça nous amène donc à discuter du plus gros problème des véhicules actuels : le pétrole. Ou comme d’aucuns aiment l’appeler, « l’or noir ».

C’est lui qui est devenu l’ennemi de toute une frange de la population. Vous savez, ceux qui mangent des légumes anciens et portent des vêtements de seconde main. Ils clament haut et fort que les hydrocarbures sont en train de mourir, et qu’il faut donc acheter des Tesla.

Pourtant, le pétrole est loin d’être à plaindre.

Son état est même assez désirable : il alimente généreusement le monde, et il représente plus de 28% de l’énergie primaire consommée en France en 2018. Ce n’est pas si ridicule pour un vieillard à qui on promet une mort prochaine.

Pourtant, il se pourrait que ces chiffres soient un trompe-l’œil.

Car lorsqu’un insensé saute d’un avion sans parachute, il se répète avec satisfaction que « jusqu’ici tout va bien » tant qu’il n’a pas touché le sol. Mais la chute est bien réelle. Et l’issue commune de toutes les chutes, c’est l’impact destructeur.

Donc le pétrole est en chute ?

Oui. Sur deux points essentiels.

Le pétrole s’épuise lentement, mais sûrement

Le premier point, c’est le stock.

Avant tout, vous n’êtes pas sans savoir que le pétrole est une énergie fossile. La raison de cette fossilité est simple : le pétrole est le résultat de dizaines de millions d’années de transformations compliquées qui se sont produites sous nos pieds.

Ce petit miracle de la nature a accouché de matières (le pétrole) dont le potentiel de libération d’énergie est impressionnant. Mais les miracles ont un prix : ils sont rares.

Et dans notre cas, ils mettent des millions et des millions d’années à se produire.

Alors quand on pioche dans les réserves de pétrole, il n’est pas remplacé.

Pire, l’Agence Internationale de l’Energie nous apprend nous avons déjà atteint le pic d’extraction du pétrole conventionnel en 2006. Ce terme couperet signifie que nous ne pourrons plus jamais récolter autant de pétrole conventionnel qu’en 2006.

Et que par conséquent, la quantité extraite diminuera inlassablement chaque année.

Heureusement pour nous, les pétroles « non conventionnels » ont pris le relais. Et heureusement pour nous, il nous reste encore des réserves de pétrole pour vivre encore un certain temps confortablement.

Mais le problème est là.

Et il est alimenté par des enjeux économiques complexes, avec un bras de fer constant entre les états producteurs de pétrole. Ce qui nous vaudra sans aucun doute un nouveau choc pétrolier dans les temps qui viennent.

Le premier point de friction du pétrole est donc son avenir incertain.

La suite logique, c’est d’engager des recherches d’alternatives au pétrole. Nous l’avons fait.

Dès lors, c’est facile : il suffit donc de remplacer les diverses technologies qui fonctionnent grâce au pétrole par leur équivalent électrique. Car jusqu’à preuve du contraire, une pénurie d’électricité est peu probable.

C’est vrai.

Mais saviez-vous que l’armée allemande a utilisé une essence synthétique à base de charbon pendant la Deuxième Guerre Mondiale ?

Et que les réserves mondiales en charbon étaient 2,48 supérieures à celles en pétrole en 2016 selon BP Statistical Review of World Energy ?

On est alors face à une terrible vérité : il reste encore assez de charbon pour remplacer le pétrole pour de nombreuses décennies.

L’argument des stocks limités n’est donc pas suffisant pour justifier le passage aux motos électriques.

La planète étouffe sous les gaz à effet de serre

Pour exploiter l’énergie du pétrole, il faut le brûler.

On utilise ensuite la chaleur produite pour entraîner nos machines.

Le problème, c’est que le CO2 relâché lors de la combustion est un gaz à effet de serre. Et en tant que gaz à effet de serre, il se complait à piéger la chaleur envoyée par le soleil, pour réchauffer l’atmosphère de notre planète.

Certains rappelleront à juste titre que le CO2 est un piètre gaz à effet de serre.

Il piège en effet entre 24 fois et 10 000 fois moins que d’autres gaz. Mais il jouit d’un effet de groupe conséquent.

Car on en produit beaucoup plus que les autres gaz, ce qui lui vaut de représenter 73% de la menace des gaz à effet de serre.

Bien. Mais le CO2 est-il réellement une menace ?

Pour le savoir, regardons le passé.

Plus particulièrement, l’évolution naturelle des températures que la Terre a connue sur un temps long.

La NASA s’en est occupée, en dessinant l’évolution de la température globale sur les 800 000 dernières années. Ce qu’on y voit est une variation cyclique selon des périodes de 100 000 ans.

La hausse la plus brutale date de 33 000 ans, lorsque la planète s’est réchauffée de 12,3°C en 8000 ans. Ce saut correspond à un gain de 0,15°C tous les 100 ans, qui est en quelque sorte le record de réchauffement naturel que la planète est capable de connaître.

Or depuis 1880, la Terre s’est réchauffée de 1°C. Soit un réchauffement 4,7 fois plus rapide.

Ajoutons que la période de 1880 à aujourd’hui a également vu une explosion des concentrations en CO2 dans l’air. On commence à entrevoir le coupable.

Pour parachever le constat, voici une simple superposition de l’évolution du CO2 et de la température globale lors des 800 000 dernières années.

courbe d'évolution des températures et du CO2

Ce qu’on y voit est accablant : le CO2 et la température globale ont toujours suivi la même tendance. Quand il y avait beaucoup de CO2 dans l’atmosphère, il faisait chaud. Et inversement quand il faisait froid.

Je ne conclurai pas sur l’existence d’un lien de causalité.

Mais il est impossible de ne pas reconnaître que la température est solidement liée à la présence de CO2 dans l’air.

Plus inquiétant : la concentration en CO2 est aujourd’hui 30% supérieure à ce que la Terre a connu jusqu’au 19ème siècle.

Il n’est pas dit que la température reproduise ces valeurs, mais ça n’en reste pas moins alarmant.

Surtout lorsqu’on constate que seulement 5°C séparent le dernier âge glaciaire et le début de l’holocène – la période géologique qui a permis l’arrivée de l’agriculture et donc l’humain tel qu’on le connaît.

En d’autres termes, une hausse globale des températures est un très grand danger pour l’humanité.

Réduire les émissions de CO2 doit alors être la priorité du moment, puisqu’il semble être le coupable idéal. Et puisque le CO2 est le résultat direct de la combustion du pétrole, réduire notre consommation de pétrole doit être la priorité.

Le pétrole est donc sur sa fin, c’était déjà une certitude.

Mais maintenant, nous savons que tous les combustibles fossiles doivent eux aussi être sortis de la course.

Ça ne nous laisse plus beaucoup de solutions.

Le nouvel enjeu : passer à l’électrique

En réalité, il ne nous reste qu’une solution : les moteurs électriques.

Car à moins d’une découverte révolutionnaire, il n’existe que deux technologies pour faire fonctionner nos machines : les moteurs thermiques et les moteurs électrique.

Nous venons d’éliminer les moteurs thermiques.

Il ne nous reste donc plus d’autre choix que d’utiliser les moteurs électriques.

Du reste, la plupart des machines actuelles sont électriques. Mieux : quasiment toutes les machines que nous utilisons au quotidien sont électriques. L’éclairage, l’électroménager, le multimédia : tous ces outils fonctionnent grâce à l’électricité.

Mais il n’y a pas que notre quotidien qui est électrique, puisque toutes les machines industrielles sont elles aussi électriques : les machines-outils, les lignes de production ou les robots par exemple.

En réalité, il ne reste qu’un domaine où le moteur électrique n’est pas encore devenu la norme : celui des véhicules motorisés.

Eux, à l’exception des trains, sont encore et toujours propulsés par un moteur thermique.

Des dizaines d’années de monopole ont largement fluidifié son exploitation. Et les stations-services implantées partout sur les territoires ont transformé les pannes sèches en exploits incroyables.

Car quand on cherche à remplir son réservoir, rien n’est plus simple : on se rend à la station la plus proche en moins de 5 minutes, puis on repart 5 minutes plus tard pour un millier de kilomètres de sérénité.

Mais avec un véhicule électrique, ce n’est pas la même rengaine.

Les bornes électriques sont inégalement réparties sur le territoire, la recharge d’une voiture électrique peut prendre du temps, et l’autonomie est assez faible. Avec ces insuffisances, on ne s’étonne pas que les véhicules électriques n’aient encore jamais fait l’unanimité.

La cause de cette faiblesse est toute trouvée : c’est la batterie.

Car son chargement est laborieux, son autonomie laisse à désirer, et elle a d’autres défauts que nous verrons plus loin.

Mais rappelons-nous ce que nous avons évoqué plus tôt :

  • les stocks de pétrole diminuent et un choc pétrolier est envisageable,
  • la combustion des énergies fossiles nous dessine un avenir peu enviable.

Dès lors, il n’y a pas à tergiverser.

Les véhicules thermiques doivent laisser place aux véhicules électriques qui ne consommeront pas de ressources carbonées.

Note : Car oui, les véhicules électriques ne sont pas censés être un écran de fumée pour consommer en cachette du pétrole et du charbon. Il s’agirait de ne pas l’oublier. Mais c’est une autre histoire.

Il n’y a plus qu’à faire le nécessaire.

Et le nécessaire commence par la conception sérieuse d’une batterie sérieuse (sans faire offense à l’hydrogène, je n’ai aucun avis sur cette technologie, mais ce n’est pas le sujet de l’article).

Le fonctionnement d’une batterie de moto électrique

Notre diagnostic est sans appel.

Nous devons passer aux véhicules électriques. Et donc oublier progressivement notre vieille moto thermique pour une moto électrique un peu plus alignée avec les enjeux actuels.

Certes. Mais nous venons de le voir, la transition n’est pas simple.

En effet, pour faire fonctionner un moteur, il faut du carburant. L’essence ou le diesel pour le moteur thermique, l’électricité pour le moteur électrique.

Et c’est exactement là que réside le premier obstacle.

L’électricité : le nouveau carburant

Cet obstacle est immense.

Pour la simple et bonne raison que pour un véhicule thermique, stocker la source d’énergie est un jeu d’enfant. Il suffit de mettre de l’essence dans un réservoir.

Et voilà. Fini.

Alors que pour notre moto électrique, c’est beaucoup moins drôle. Car à l’inverse de l’essence, l’électricité n’est pas un liquide qu’on stocke facilement dans un réservoir.

C’est même l’exact opposé.

L’électricité est toujours en mouvement. Elle ne tolère pas d’être immobile et inutilisée. Autrement dit, dès que de l’électricité est produite, elle doit absolument être utilisée.

Dit comme ça, on a l’impression que l’électricité est un enfant capricieux qui déteste s’ennuyer.

C’est presque ça. À la nuance près que si on n’utilise pas l’électricité produite, elle anéantit notre système électrique en un rien de temps.

Ça en dit long sur le carburant de notre moto électrique. Il faut donc nécessairement trouver une solution alternative.

Cette solution, c’est de contourner les règles du jeu.

Nous voulons stocker de l’électricité dans l’idée de l’utiliser pendant nos trajets, afin d’avoir toujours de quoi alimenter notre moteur électrique. Les règles du jeu voudraient donc qu’on trouve une idée pour capturer l’électricité afin de la relâcher en temps voulu.

Mais ça, c’est un casse-tête.

En revanche, rien ne nous empêche de passer par une étape intermédiaire.

Cette idée ressemble beaucoup au principe de l’agriculture : pour vivre, on a besoin de nourriture. Le problème, c’est qu’on ne peut pas stocker de la nourriture pour toute une année. Elle viendrait à pourrir, ou elle serait en trop faible quantité pour tenir l’année entière.

Alors on procède autrement : on consomme la nourriture du garde-manger, on transforme cette énergie en travail agricole sur de longs mois, puis on récolte la nourriture que l’on a produite.

schéma stockage de l'énergie dans l'agriculture

Autrement dit, on passe par l’énergie mécanique de notre corps pour trouver une alternative au stockage de nourriture, afin d’avoir toujours de la nourriture accessible.

C’est une forme de stockage, avec le maïs qui est digéré et réutilisé en force mécanique plutôt que d’être entreposé dans un frigo.

Dans le cadre de notre moto électrique, c’est exactement la même idée.

Le principe du stockage électrochimique

Filons la métaphore, et voyons donc ce que nous pouvons en faire.

En lieu et place des épis de maïs, notre moto électrique a besoin d’être alimentée en électricité.

Cette électricité est en réalité composée d’électrons qui se déplacent dans les fils électriques pour aboutir au moteur électrique. Une fois dans le moteur, l’électricité fait tourner le moteur et permet à la moto d’avancer.

Ainsi, nous aurions besoin d’un stockage d’énergie intermédiaire qui fonctionnerait comme le corps humain dans l’exemple du maïs. Car pour rappel, il est impossible de stocker directement l’électricité.

Cette solution existe. Et elle porte le nom barbare de « stockage électrochimique ».
schéma principe stockage électrochimique batterie électrique

C’est très bien, tout ça. Mais ça ne nous explique en aucun cas comment ça marche.

Je sais.

Et si je mets autant de temps à y venir, c’est que j’appréhende. Car ce n’est pas forcément le mécanisme le plus simple à expliquer.

Le stockage électrochimique repose sur une propriété remarquable des électrons : ce sont les acteurs principaux à la fois de l’électricité et de la chimie. Et pour moi ça veut dire beaucoup.

Puisque les électrons sont le dénominateur commun de l’électricité et de la chimie, il est parfaitement possible de lier ces deux domaines.

Très bien. Nous voilà donc un peu avancés.

Mais ce n’est pas encore suffisant.

Car souvenez-vous, l’idée est de recevoir de l’énergie électrique, de la stocker sous forme électrochimique, puis de l’envoyer au moteur électrique lorsqu’on tourne la poignée.

Autrement dit, on souhaite utiliser l’ambivalence des électrons pour convertir de l’électricité en une chose un peu floue, pour ensuite convertir cette chose un peu floue en électricité au besoin.

La suite de cet article va nous permettre de sortir de cette brume.

Mais pour être sûr de ne perdre personne en chemin, je vous rappelle que vous pouvez me poser directement toutes vos questions : julien@construire-sa-moto-electrique.org.

Maintenant, on peut y aller.

La réaction chimique d’oxydo-réduction, en bref

Nous allons ouvrir les portes de la chimie. Armez-vous de votre meilleure clé à molette, car nous sommes en territoire hostile.

Nous, mécaniciens, devons pourtant braver cette épreuve.

Nous en ressortirons grandis, et notre fils Télémaque s’exclamera lorsque nous évoquerons l’Odyssée que nous aurons traversée pour en arriver à lui.

Je disais donc, la chimie.

Car la chose un peu floue que nous voulons éclaircir est une réaction chimique. Cette réaction est appelée (tenez-vous bien) : « oxydo-réduction ».

Derrière cette hydre aux milles lettres (rendez-vous compte : un « x », un « y », un « r » et un « t » dans le même mot), se cache une réaction chimique assez complexe (encore un « x », c’en est trop) mais qui participera peut-être à la préservation de l’humanité telle que nous la connaissons.

Pour mieux envisager cette réaction, je vous propose de jouer le rôle d’électrons.

Je suis un électron.

Chacun d’entre vous est un électron.

Nous sommes des milliers, nous nous promenons sur le réseau électrique français. Notre vie est une longue et délicieuse ballade, à travers les paysages de notre pays.

Puis vous ressentez une sorte d’appel d’air.

Une force irrépressible vous a attrapés. Elle vous tire vers une prise électrique. En un rien de temps, vous sortez du réseau par la brique d’un chargeur de téléphone.

Votre course se poursuit, à la vitesse de l’escargot (car vous courrez assez lentement). Mais irrémédiablement, vous vous approchez du téléphone branché au bout du câble.

Vous sautez un nouveau pont. Vous êtes à présent dans le téléphone.

Face à vous, une gigantesque masse de graphite vous surplombe. Elle est plusieurs millions de fois plus volumineuse que vous.

Mais elle vous attire.

Alors vous vous approchez toujours plus de son entrée.

atome lithium cobalt graphite © jean charles barbe

Voyage au centre d’une électrode en graphite

Vous distinguez lentement ce que la masse en graphite abrite.

Les détails se dessinent toujours mieux à mesure que vous avancez. Mais c’est encore trop diffus. Impossible de savoir précisément ce que représentent les différentes formes mouvantes qui peuplent votre champ visuel.

Ces formes ne sont pas des électrons, vous en êtes certains.

C’est beaucoup plus grand que vous, mais moins grand que la masse en graphite.

Puis lorsque vous êtes sur le point de rentrer, vous vous arrêtez.

Les électrons, vos compagnons de route, se pressent dans l’électrode en graphite. Celle-ci est parcourue de cavités dans lesquelles se nichent de superbes atomes de lithium.

Vous avez entendu des rumeurs à propos de ces atomes de lithium.

Vous êtes impressionnés. Les atomes siègent noblement dans leurs trônes de graphite. Ils semblent se reposer.

Puis votre regard se déplace, tentant d’assimiler le terrain sur lequel vous vous engagez. Il balaye l’horizon assombri par les atomes de carbone du graphite.

Vous vous sentez observés.

Ça vient de l’Ouest, là où grondent les vagues de la mer électrolytique.

En arrivant dans ce désert de carbone, vous n’avez d’abord pas prêté attention aux secousses océaniques. Mais maintenant, vous ne pouvez résister à l’envie de vous en approcher.

À mesure que vous avancez vers le littoral, l’impression d’être observés s’intensifie.

Vous en êtes certains, des yeux vous observent. Ils sont nombreux. Mais ils sont au large, loin de la côte. Vous ne les voyez pas, mais vous êtes certains de leur présence. Car vous les ressentez.

Guidés par votre instinct, vous vous rendez au bord de l’eau.

Votre regard se fixe sur une forme qui s’approche. Elle est immense. Autant que les atomes de lithium que vous avez croisés dans les terres.

Mais cette fois, cette forme indistincte se rapproche de vous. Vous avez l’impression qu’elle vous cherche, que c’est vous qu’elle veut retrouver.

Ses traits se précisent.

La forme qui se détache de la brume est un ion. Un ion de lithium.

Cet ion est un ancien atome de lithium qui a perdu un électron. Vous savez qu’un ion ne vit que pour retrouver un électron. Et cet ion vous a trouvés.

Vous êtes subjugués. Voilà le sens de votre quête.

Vous étiez destinés à rencontrer cet ion, pour le compléter et lui permettre de devenir à nouveau un atome de lithium.

L’étreinte se produit en une fraction de seconde. Vous avez trouvé votre place. Vous orbitez maintenant parmi tous ses électrons, tandis que l’ion que vous avez intégré se déplace. Il est repu.

Il est redevenu atome.

À son tour, il vient se loger dans une cavité inoccupée de l’électrode en graphite.

Il est un parmi tant d’autres. Lui, comme les autres, accomplira sa mission de combler chaque creux de l’électrode en graphite. Et quand l’électrode sera à son tour rassasiée, le calme régnera.

Jusqu’à la prochaine tempête.

schéma batterie électrique électrode graphite et électrons

La traversée de la mer électrolytique

Ceux qui vivent au bord de l’océan le savent : les tempêtes trouvent très souvent leur naissance au large.

Dans notre situation, c’est le même principe.

Car si cette mer est qualifiée d’électrolytique, c’est qu’elle a une mission spéciale. Cette mission découle de sa composition en sels de lithium.

Ces sels de lithium peuplent la mer en ions Li+ (dont nous avons fait la connaissance plus tôt). Et comme nous l’avons vu, ces ions sont très mobiles, car ils ne vivent que pour revenir à leur condition d’atomes.

Voilà donc la mission de la mer électrolytique : agir en tant qu’électrolyte.

C’est-à-dire faire le pont entre deux électrodes, en fournissant à une des deux électrodes assez d’ions Li+ pour satisfaire son appétit.

Dès lors, forts de cette définition, nous comprenons que la mer électrolytique est bordée par deux électrodes.

Nous avons fait la connaissance de la première électrode en graphite, lorsque nous avons assisté à l’aménagement des atomes de lithium en son sein.

Mais nous savons que rien ne se perd, rien ne se crée.

Et malgré la mer électrolytique remplie d’ions Li+, nous avons senti que leur appétit était démesuré. Cet empressement nous laisse penser qu’ils ont été arrachés à leur lieu de résidence.

La mer électrolytique n’était alors pour eux qu’un court transit, d’une ancienne électrode à une nouvelle électrode.

Quelle était donc cette ancienne électrode ? Que s’est-il donc passé ?

Retraçons l’histoire d’un ion qui a traversé la mer électrolytique depuis l’électrode opposée. Par la magie de l’écriture, vous devenez donc un ion.

Panique sur le récif de dioxyde de cobalt et de lithium

Il fait bon vivre dans votre foyer troglodyte.

Un sentiment de complétude vous habite depuis que vous avez retrouvé votre électron manquant. Le calme règne, l’entente est cordiale avec vos voisins.

Soudain, un bruit sourd résonne dans tout votre être et vous arrache immédiatement à votre contemplation. C’est le bruit familier d’une branche qui se casse, abattue par une foudre d’apocalypse.

Vous avez déjà entendu ce bruit de nombreuses fois. Mais vous espérez de toute votre âme que celui-là n’est qu’un évènement isolé, un accident.

Peine perdue.

La déflagration se reproduit une nouvelle fois, suivie d’un silence qui ne trompe personne. Tous vos voisins sont eux aussi réveillés. Ils restent  immobiles, pétrifiés par l’attente et l’espoir que ce soit un mauvais rêve.

Mais la réalité imperturbable vient à nouveau de sévir. Elle a décidé que vos congénères devraient se séparer de leurs électrons pour plonger dans la mer électrolytique.

Vous avez assez vécu pour savoir que ces premières détonations annoncent implacablement la tempête. Et que ni vous, ni vos voisins n’en sortirez indemnes.

Dans de pareilles situations, il ne reste que le courage.

Ce courage, vous l’avez acquis à force de tempêtes. Celle-là en est une de plus, vous saurez la surmonter. Car vous savez qu’une issue heureuse est possible par-delà la douleur.

Vous prenez donc les devants, et vous sortez de votre nid sans un adieu. Vous avancez fermement vers la mer défigurée par les vagues.

Ces vagues sont des traitresses. Sirènes qui vous attirent à elles en vous promettant mille et un plaisirs. Elles connaissent vos faiblesses. Elles savent que lorsque la tempête gronde, vous ne savez pas résister.

Vous savez d’autant moins résister que votre électron a lui aussi décidé de vous quitter.

La mécanique s’est enrayée, il veut vous laisser à votre sort. Il ne faut pas lutter et accepter son départ. Vous plongez alors dans la mer glacée.

Vous venez donc d’abandonner votre terre en dioxyde de cobalt.

schéma batterie électrique électrode dioxyde de cobalt

Sans votre électron, vous êtes redevenus des ions, incomplets.

Alors vous nagez. Inlassablement, sans fatigue. Vous bravez les courants et évitez les récifs. Jusqu’à ce que se dessine la montagne de graphite.

Au début, elle n’était qu’une forme vague et sombre. Puis elle s’est précisée à mesure que vous vous en approchiez. Vous en voyez maintenant les reliefs, et les creux qui vous attendent.

Tendu vers votre objectif, vous guettez donc le moindre mouvement sur les terres.

Puis un électron apparaît dans votre champ de vision.

Il semble découvrir le paysage. Il regarde autour de lui avec une curiosité mêlée à de l’appréhension.

À l’instant où vos yeux l’ont croisé, vous avez su. C’est lui. Vous accélérez alors votre course sans le lâcher des yeux un seul instant.

Quelques secondes plus tard, vous faites déjà corps avec lui. Il nous vous reste plus qu’à blottir au chaud, dans votre nouvel abri.

Jusqu’à la prochaine tempête.

Le chargement d’une batterie lithium-ion

Nous venons de décrire précisément le fonctionnement de la batterie au li-ion de notre téléphone (« li-ion » étant la contraction de « lithium ion »).

Le problème, c’est que pendant tout ce temps où nous étions des électrons, des atomes et des ions, nous avions le nez dans le guidon. Et bien que je doute que les électrons/atomes/ions sachent pédaler, il est impossible d’avoir une vision globale de ce qu’il se produit lorsque nous sommes au cœur de l’action.

Alors je vous propose de rejouer la scène, mais du point de vue extérieur.

Nous branchons le téléphone à la prise domestique.

Les électrons coulent alors dans le fil électrique et arrivent à l’électrode en graphite. À ce moment, ils se joignent aux ions Li+ qui se trouvent dans le liquide électrolytique pour former des atomes de lithium.

Ces derniers, apaisés, se retranchent ensuite dans la matrice de graphite.

Mais au même moment que les électrons arrivent dans l’électrode en graphite, l’autre électrode subit une secousse. En effet, cette électrode en dioxyde de cobalt et lithium doit se séparer de ses atomes de lithium.

Les électrons veulent s’enfuir et laissent les atomes de lithium à leur incomplétude, devenant des ions Li+. Ils se jettent alors dans le liquide électrolytique pour rejoindre l’électrode de graphite et redevenir des atomes de lithium.

Pendant ce temps, les électrons néo-célibataires se ruent vers le fil électrique de l’électrode en dioxyde de cobalt et lithium.

schéma batterie électrique en charge

Lorsque l’électrode en graphite est pleine d’atomes de lithium, on peut couper l’alimentation en électrons. Autrement dit, on débranche le téléphone, car sa batterie est pleinement chargée.

Et là, il ne se passe rien. Enfin, presque rien :

schéma batterie électrique complètement chargée

Oui, vous voyez la même chose que moi : quand la batterie est pleine, les ion Li+ tournent en rond.

Ça, c’est un problème.

Car en étant confinés dans leur liquide électrolytique, ils s’énervent. Et nous pouvons les comprendre, leur but est de trouver un électron pour enfin redevenir des atomes de lithium, complets et stables.

Ils deviennent comme des mouches contre une fenêtre, à voler bruyamment dans tous les sens. Et de cette manière, ils rendent l’équilibre du système très précaire.

Car eux, ils ne guettent qu’une chose : la présence d’électrons célibataires. Et si par chance ils en aperçoivent un à l’horizon, ils se jetteront dessus.

C’est exactement ce qu’il se passe lorsqu’on branche un moteur à une batterie chargée.

Le déchargement d’une batterie lithium-ion

Quand la batterie est chargée et qu’on a débranché le chargeur, elle ne peut plus bouger d’un millimètre.

Tous les électrons présents dans les fils sont immobiles, et les atomes de lithium qui peuplent l’électrode en graphite se reposent. Il n’y a que les ions Li+ qui s’excitent. Mais on ne peut pas leur en vouloir, c’est dans leur nature.

Mais lorsqu’on branche un moteur à la batterie, les électrons qui se trouvaient dans les fils sautent de joie. La balade reprend, et ils peuvent se promener dans les électroaimants du moteur électrique.

Et là, c’est la fête.

Car en se laissant aspirer par le moteur, ils ont créé un vide derrière eux. Mais la nature n’aime pas le vide. Alors elle s’empresse de le combler par autre chose.

Et comme seuls des électrons peuvent remplacer des électrons, il faut trouver des électrons.

Vous me voyez venir : la tempête reprend. Mais cette fois, elle ne se produit plus dans l’électrode de dioxyde de cobalt, mais dans l’électrode de graphite.

Et la musique recommence, dans l’autre sens.

schéma batterie électrique en décharge

À la place d’aller vers la droite, les ions Li+ se ruent vers la gauche, pour devenir à nouveau des atomes de lithium et couler des jours heureux.

Dans l’électrode en graphite, c’est le cataclysme : les électrons s’enfuient par le fil électrique et laissent les anciens atomes de lithium à leur nouvelle condition d’ions incomplets.

Ces électrons, enfin, courent à travers le fil électrique, et entraînent la rotation du moteur. Le moteur exulte alors et propulse notre moto vers les plages du Pays Basque.

Et voilà. Le tour de passe-passe est alors réussi.

Jusqu’à l’épuisement de l’électrode en graphite, la batterie relâchera des électrons qui alimenteront le moteur et lui permettront d’accomplir sa mission.

Et pendant qu’il accomplit sa mission, nous avons nous aussi accompli la nôtre.

  • Nous voulions utiliser l’électricité comme carburant du moteur électrique notre moto, nous avons réussi.

Car maintenant, il suffit de brancher notre batterie sur une prise, remplir l’électrode en graphite avec des atomes de lithium, et partir à l’aventure.

  • Nous avions prévu de stocker l’électricité sous la forme chimique, nous avons réussi.

Car l’électricité est bel et bien stockée, puisque nous sommes capables d’alimenter le moteur sans avoir à le brancher au secteur. Ce fût laborieux et complexe, mais le résultat est très élégant.

Voici donc le fonctionnement d’une batterie.

Mais attendez.

Tout à l’heure, je parlais de notre téléphone, et là je saute de joie en évoquant notre moto électrique.

Mais je suis peut-être allé un peu vite en besogne.

Car la batterie que nous avons dessinée est une batterie de téléphone, et non de moto électrique.

Sa chimie est différente de celle de notre destrier d’acier, il serait donc préférable de ne pas s’enflammer trop rapidement.

D’une batterie de téléphone à une batterie de véhicule électrique

Toutes les batteries (qu’on parle de celles de nos téléphones, de notre perceuse ou de notre moto électrique) fonctionnent selon le même principe. Ce principe, nous le connaissons maintenant plutôt bien, puisque nous en avons longuement parlé dans les parties précédentes.

En revanche, il existe de nombreuses chimies différentes.

C’est-à-dire que selon l’usage que nous faisons d’une batterie, les molécules qui la peuplent varieront.

Dès lors, dans nos téléphones, la chimie la plus utilisée est celle que nous avons évoquée jusqu’à présent. C’est aussi la première chimie à avoir été commercialisée, par Sony. Elle est composée de lithium et d’oxyde de cobalt, ce qui lui vaut le nom de LCO (pour « Lithium Cobalt Oxide » en anglais).

Le problème, c’est que cette chimie présente des risques sécuritaires pour l’usage des véhicules électriques. C’est pourquoi il faut trouver d’autres chimies, plus sûres.

En écrivant cette phrase, j’ouvre une boîte de Pandore.

Car les possibilités sont presque infinies. Et chaque jour ou presque voit une nouvelle chimie prometteuse apparaître.

Alors plutôt que de s’engouffrer dans le terrier du lapin d’Alice au Pays des Merveilles, je vous propose d’établir une stratégie pragmatique : regardons ce qui est utilisé aujourd’hui.

On aura largement le temps de s’intéresser aux alternatives dans la suite des évènements. D’ailleurs, ces alternatives ne sont pas de refus.

Donc, droit à l’essentiel.

En 2020, 4 chimies sont utilisées pour alimenter nos véhicules électriques :

  • LMO (Lithium Métal Oxide), qui représente environ 25% des batteries des véhicules électriques,
  • NMC (Lithium Nickel Manganèse Cobalt Oxide), pour quelques 30% des batteries,
  • LFP (Lithium Iron Phosphate), qui correspond elle aussi à 25% des batteries,
  • NCA (Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide), pour le reste, donc moins de 20%.

Ces chiffres sont approximatifs et basés sur des projections, mais ils donnent un instantané intéressant de la répartition des chimies utilisés.

Derrière ces acronymes qui ressemblent à des noms de chaînes télévisées américaines se cache une domination sans partage des batteries lithium-ion. Car chacune de ces quatre chimies est une chimie qui utilise le principe des lithium ions.

C’est une assez bonne nouvelle, puisque celle que nous avons expliqué plus haut est aussi une lithium-ion. Nous pouvons donc pousser un grand « ouf » de soulagement, car nous n’aurons pas à essayer de comprendre une autre technologie de batterie.

Il ne reste alors

plus qu’à faire un choix entre les 4 chimies, et monter la batterie sur notre moto.

Le dimensionnement d’une batterie de moto électrique

À nouveau, nous allons opter pour la simplicité.

La chimie NMC (Lithium Nickel Manganèse Cobalt Oxide) est la plus utilisée. Qu’à cela ne tienne, choisissons celle-là. Nous verrons plus tard si c’était une bonne idée de suivre la majorité.

Mais il y a un problème.

Car jusqu’à présent, ce que nous avons dessiné n’est pas une batterie. C’est une cellule de batterie.

Ces cellules peuvent prendre plusieurs formes : cylindriques (comme les piles rechargeables), prismatiques (comme les batteries d’appareil photo) et à poches (comme dans nos téléphones).

Et ça change tout.

Car les cellules sont juste assez puissantes pour faire fonctionner une perceuse. Autant dire que c’est beaucoup trop faible pour alimenter une moto électrique. 

La preuve en chiffres : une cellule de batterie NMC classique a une tension de 3,8 V et une capacité de 25 Ah. À titre de comparaison, une voiture électrique classique a besoin d’une tension de 300 V, pour une capacité de 100 Ah.

C’est léger. Car les cellules affichent une tension (en V) et une capacité (en Ah) beaucoup trop faibles pour alimenter une moto électrique.

Mais ce n’est pas un si gros problème.

Car pour arriver à produire les valeurs nécessaires à un véhicule électrique, il y a une solution : il suffit d’additionner les cellules.

Ainsi, en les assemblant intelligemment (en série et en dérivation, pour ceux qui se rappellent du collège), on arrive à fournir la tension et la capacité désirée.

schéma montage cellules batterie en série et en dérivation
Notez que j’ai donné l’énergie en kWh de la batterie, qui n’est rien d’autre que le produit de la tension par la capacité.

D’accord.

Mais il manque un détail.

Pour l’instant, voilà ce que nous avons :

  • la tension et la capacité d’une cellule isolée,
  • ce dont a besoin un véhicule électrique commun,
  • et en jouant aux Lego avec les cellules, on peut aussi obtenir les tensions et capacités que nous voulons.

Par contre, nous n’avons aucune idée de la tension et de la capacité que nous cherchons à obtenir.

C’est la phase la plus agréable de la conception d’une moto électrique. Celle où nous avons toutes les clés pour chaque composant isolé (moteur, pneus, aérodynamique, etc.). Et ce qu’il reste à faire, c’est de jouer au chef d’orchestre.

Dès lors, pour connaître la tension et la capacité de notre batterie, il faut donc déterminer la puissance que nous voulons pour notre moteur. Et pour savoir cette puissance, il faut d’abord évaluer les efforts auxquels notre moto devra faire face pour avancer.

Autrement dit, connaitre la tension et la capacité de notre batterie représente un point final.

Le point final de la conception de notre moto électrique, à partir duquel commence une deuxième phase : celle de l’optimisation de tous les détails.

Nous sommes donc arrivés au bout de nos peines.

Pour fêter cet accomplissement, un bilan s’impose.

  1. Tout d’abord, nous avons observé que nous devions absolument cesser l’exploitation des ressources fossiles.
  2. La solution réside dans les véhicules électriques qui doivent s’imposer, et avec eux, les batteries.
  3. La suite a été une somme de défis pour trouver comment stocker l’électricité, et nous y sommes arrivés.
  4. Enfin, nous avons appris les rudiments pour dimensionner la batterie idéale, en lien avec tous les autres composants de notre moto électrique.


Mais nous avons oublié un détail : l’impact écologique des batteries.

Car si nous ne nous y intéressons pas, nous ne pouvons pas décemment prétendre à une amélioration par rapport aux véhicules thermiques actuels.

Les batteries des motos électrique sont-elles écologiques ?

Remplacer les carburants issus des ressources fossiles, c’est très louable. Mais ce qui le serait plus, ça serait aussi de les remplacer par une technologie propre.

C’est-à-dire qu’on ne doit pas se contenter d’être plus propre (ce n’est pas si difficile). Il faut aller plus loin.

La raison est simple : si une batterie est deux fois plus propre que l’essence, alors tout le monde est content. Tant et si bien qu’il est probable que la technologie se démocratise et convainque les gens qui n’avaient pas de voiture d’en acheter une.

Car c’est plus propre.

Il n’est alors pas exclu que le nombre de voitures soit multiplié par deux dans le monde entier, avec le développement de pays comme l’Inde. Ainsi, on aura divisé par deux la pollution des voitures, mais on aura multiplié leur nombre par deux.

Autant dire qu’on n’aura rien fait.

Voilà donc l’enjeu : les batteries doivent absolument être exemptes de tout reproches.

Le sont-elles ?

Non.

batterie tesla elon musk © jean charles barbe

Cobalt et lithium : ruée vers les nouveaux pétroles

Les batteries des véhicules électriques fonctionnent donc grâce au lithium.

Pourtant, malgré son importance primordiale, ce dernier ne représente qu’entre 1,3 et 1,9% du poids total de la batterie. De ce point de vue-là, on se dit alors que sa production ne devrait pas représenter un problème.

Mais il existe un autre point de vue, plus évocateur : celui des chiffres.

En 2016, on a produit 40 000 tonnes de lithium pur, qui ont nécessité de produire 600 000 tonnes de minerais contenant du lithium et de carbonate de lithium.

C’est gigantesque.

Car le lithium ne se présente pas sous sa forme pure dans la nature, mais on le retrouve sous quatre formes différentes : dans des minerais, dans des saumures (les eaux fortement salées), dans des roches sédimentaires et dans l’eau de mer.

Les deux formes exploitées actuellement sont les minerais et les saumures.

Les gisements de lithium issus des saumures sont situés dans les lacs salés séchés qu’on retrouve dans la cordillère des Andes en Amérique du Sud.

Pour extraire le lithium, il faut donc aller le chercher dans les porosités des sols, à des profondeurs allant de 1,5 à 60 mètres. Dans le futur, on pourrait creuser jusqu’à 600 mètres.

Cette technique d’extraction semble relativement propre, mais elle est entachée par le besoin en eau. Les sources diffèrent à ce sujet, donnant des chiffres allant de 41 à 1900 mètres cubes d’eau nécessaire à l’extraction du lithium.

On peut douter des chiffres, mais la problématique est forte, puisque les lacs salés se trouvent dans les déserts. L’exact endroit où l’eau est plus utile pour hydrater les populations que pour extraire du lithium.

Cette technique demande donc de trouver des méthodes pour économiser l’eau.

Si on arrive à régler ce problème, c’est plutôt prometteur.

Mais les extractions du lithium des saumures ne représentent que la moitié de la production mondiale. Ce qui veut dire que le reste de la production est sous forme minérale. Et qui dit minéraux, dit extraction minière. Et là, on ne cherche pas à être irréprochables.

Mais à leur décharge, c’est un problème commun à toutes les mines.

Car leur impact sur l’environnement local est inévitable tant au niveau de la biodiversité et des populations environnantes. Mais nous n’avons aucune envie de nous priver complètement de cette méthode d’extraction, d’autant que c’est la seule qui existe en Europe.

Dans ce cas, la seule solution est de ne produire que le nécessaire.

Est-ce que c’est ce qu’on fait ? Évidemment, non.

On reproduit exactement les mêmes schémas que pour le pétrole. On joue avec les prix, on se dispute des gisements, on fait augmenter les enchères, on crée des tensions géopolitiques.

Et le lithium n’est pas le seul à en souffrir, puisque les extractions de cobalt (lui aussi présent dans la chimie NMC de la batterie que nous avons choisie) suivent le même chemin.

Autrement dit, une partie des minerais nécessaires aux batteries lithium-ion sont exploités par les mêmes cols blancs qui cherchent par tous les moyens à s’enrichir.

Les batteries n’ont donc aucune leçon à donner au pétrole. Et ça ne semble pas près de changer.

L’épuisement des minerais

La tendance n’est pourtant pas à la réduction des extractions.

D’autant qu’on prévoit que les stocks de véhicules électriques soient de 100 millions en 2030 et de plusieurs centaines de millions en 2050.

Alors va-t-on droit dans le mur ?

À ce rythme, oui.

Un article publié par l’équipe de Marcel Weil en 2018 nous donne un aperçu des différents scénarios auxquels on doit s’attendre. Et ils ne sont pas très joyeux.

Car si on conserve une répartition comparable à celle d’aujourd’hui entre les quatre chimies de batteries, voilà ce qu’ils prévoient :

schéma demande vs stock en lithium et cobalt

Comme par hasard, deux des trois matières premières en tension sont celles que nous avons évoquées dans la partie précédente : le lithium et le cobalt.

On observe bien sur le graphique que la demande pour ces deux minerais sera plus élevée que les réserves aujourd’hui connues. Et si on continue à ce rythme, les besoins en cobalt seront plus de deux fois supérieurs aux quantités de cobalt que la Terre nous réserve.

Finalement, une quantité non négligeable des matières nécessaires à la fabrication de batteries sont menacées :

  • le lithium, le cobalt et le graphite sont les plus critiques,
  • une partie des réserves en cuivre et en nickel auront aussi été englouties en 2050,
  • le manganèse et l’aluminium sont dans une situation moins critique (mais à surveiller néanmoins),
  • au final, seuls le fer et le phosphate ne sont pas considérés comme critiques.

Nous sommes donc engagés dans une impasse.

Car le graphite est présent dans les quatre chimies que nous avons évoquées à hauteur de 10 à 16%. Le lithium aussi, entre 0,9 et 1,7%. Tout comme le cuivre, entre 11 et 13%. Enfin, le nickel et le cobalt ne sont pas présents dans toutes les chimies, mais représentent des parts non négligeables quand ils sont présents.

Autrement dit, entre 23% et 43% des matières nécessaires aux batteries actuelles sont menacées.

C’est beaucoup trop.

Pourtant, cette impasse est d’une logique implacable : le pétrole est une ressource fossile, mais les minerais à la base de nos métaux le sont aussi.

Il n’est donc pas si étonnant que l’équation actuelle amène à un non-sens : on ne remplace pas une énergie fossile par une énergie renouvelable qui repose sur des ressources fossiles.

Ou alors, on instaure des barrières.

On trouve des solutions pour que les batteries que nous utiliserons dans le futur piochent le moins possible dans des minerais critiques.

Mais est-ce seulement possible ?

Comment choisir la meilleure batterie pour notre moto électrique

Il y a en effet plusieurs leviers que nous pouvons activer pour réduire à la fois les menaces d’approvisionnement et l’impact des batteries sur l’environnement.

La première étape est alors de choisir la chimie de batterie la moins nocive parmi les quatre couramment utilisées aujourd’hui : la chimie LFP (Lithium Iron Phosphate).

Elle est en effet moins gourmande en lithium, et elle présente l’avantage d’être vierge en nickel et en cobalt. Choisir cette chimie est donc un premier progrès, parfaitement réalisable à condition de bien le vouloir.

La deuxième étape est ensuite d’augmenter la part de métaux recyclés dans les batteries.

Les métaux prioritaires sont évidemment ceux dont l’approvisionnement serein risque d’être menacé lors des 30 prochaines années.

Cette deuxième étape est moins simple à mettre en place. Car au-delà de la responsabilité de chaque constructeur à utiliser des matériaux recyclés, elle découle essentiellement d’un choix politique.

Pour y parvenir, il faut en effet créer des infrastructures compétentes, capables de rapatrier les batteries usagées et d’en extraire les métaux qui nous intéressent. Mais nous devrons nécessairement passer par cette étape de mise en place à grande échelle du recyclage des batteries.

Enfin, il faut poursuivre les recherches de technologies alternatives aux batteries lithium-ion et augmenter leur durée de vie.

À l’instar des batteries sodium-ion, certaines sont prometteuses. Mais elles doivent encore progresser pour concurrencer sérieusement la lithium-ion qui règne aujourd’hui sans partage.

En somme, il existe un futur pour lequel les motos électriques ont un rôle essentiel à jouer dans la lutte pour préserver notre espèce.

Nous venons de le voir aujourd’hui : contrairement aux apparences et aux discours, ce futur n’est pas du tout assuré. Car l’être humain va souvent par le chemin le plus court, qui s’avère être fréquemment le pire des chemins.

Si on veut changer les choses, il faut donc agir, tous les jours.

Mais aussi bâtir, constamment.

C’est ce que je vous propose de faire, en intégrant le cercle (toujours plus fourni) de ceux qui croient dans la moto électrique comme solution pérenne.

Pour en être, il suffit de laisser votre e-mail juste en dessous. Vous recevrez alors tous les matins un e-mail (écrit la veille), exposant nos réflexions et notre avancée dans l’aventure de notre moto électrique.

Le reste du travail, c’est lorsque vous répondez et que nous engageons des discussions utiles et passionnantes.

On se retrouve donc là-bas.

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