Batterie lithium-ion : tout (vraiment tout) ce que vous devez savoir

Les batteries lithium-ion sont partout. Elles alimentent nos smartphones, nos voitures électriques et nos motos électriques. Mais une telle omniprésence soulève forcément beaucoup de questions. J’ai répondu à toutes ces interrogations dans cet article.

Julien Vaïssette

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

batterie lithium ion © jean charles barbe

La batterie lithium-ion, appelée aussi accumulateur lithium-ion, est une technologie sans laquelle la révolution numérique n’aurait sans doute pas existé. Et elle continue de l’entretenir, avec sa présence dans les objets technologiques qui nous entourent.

En stockant les électrons comme on stocke de l’essence dans un réservoir, ces batteries ont un rôle majeur dans l’électrification de notre société.

Elles ont permis les téléphones portables et elles permettent aujourd’hui l’arrivée massive des véhicules électriques. J’avais d’ailleurs fait le constat de la suprématie du lithium-ion en rédigeant un article consacré aux batteries des véhicules électriques.

On pourrait penser que ce raz-de-marée s’explique par l’absence d’autres solutions compétitives. Mais il en existe bien d’autres. Concernant les véhicules électriques, on peut en effet penser aux batteries sodium-ion aussi bien qu’aux piles à combustibles et autres supercondensateurs.

Pourtant, c’est la technologie au lithium-ion qui l’emporte et qui joue ce rôle de stockage électrique pour l’écrasante majorité des technologies qui en ont besoin.

Dans cet article, vous allez comprendre les raisons de ce règne sans partage.

Je vais évidemment me concentrer plus précisément sur les batteries li-ion (contraction de lithium-ion) des véhicules électriques, mais tout ce que vous allez découvrir vaut pour les autres applications.

Le fonctionnement d’une batterie lithium-ion

J’ai mille questions. 

Par exemple, quel est l’impact environnemental de ces batteries ? Ou qu’en est-il du recyclage des batteries lithium-ion ? Ou enfin, comment fonctionnent-elles ?

Autant de questions qu’il est hautement nécessaire de se poser pour vérifier que nous ne faisons pas une grosse bêtise.

Mais avant de se poser des questions aussi complexes, il est bon de se reposer sur un socle théorique solide. C’est ce que nous allons faire dans cette partie. Et ça commence par une définition complète de ces batteries.

Qu’est-ce qu’une batterie lithium-ion ?

La batterie lithium-ion est une technologie de stockage électrochimique, qui permet de faire ce que la nature ne sait pas faire : garder des électrons dans un réservoir.

Si on occulte les batteries au plomb qu’on trouve dans les véhicules thermiques, c’est la technologie la plus utilisée avec plus de 95% du marché(1).

Pour cause : c’est elle qui garantit la meilleure capacité de stockage électrique.

Et c’est cette capacité de stockage électrique qui lui permet de voler la vedette aux autres technologies de batteries (ou d’accumulateurs, selon le terme que vous préférez). Je pense notamment aux batteries au plomb-acide, au nickel-hydrure, au nickel-cadmium ou au sodium-ion. 

Nous allons comprendre plus en détails ses avantages et inconvénients dans la prochaine partie.

Mais pour le moment, je vais devoir répondre à deux questions primordiales :

  1. Qu’est-ce que le stockage électrochimique ?
  2. Et pourquoi le lithium ?

Le stockage électrochimique

C’est sur lui que reposent toutes les batteries.

Car le stockage électrochimique est l’invention géniale qui permet d’utiliser les propriétés de certains éléments pour capter des électrons pendant la recharge, puis les relâcher plus tard quand on en a besoin

La batterie li-ion est donc une technologie de stockage électrochimique (qui repose sur le lithium) pour stocker les électrons qui viennent tout droit du réseau électrique.

Et c’est tout ce qu’il y a réellement à savoir sur ce terme barbare.

À partir d’ici, nous n’allons plus du tout l’utiliser, car le jargon n’est pas toujours notre meilleur allié. Passons donc à la deuxième question primordiale, sur le lithium.

Le lithium est le meilleur en termes de stockage électrochimique

Le lithium est le métal le plus léger de tous les métaux.

C’est déjà une très belle raison de s’intéresser à lui. Mais il ne s’en contente pas, car il arrive en même temps à garantir l’une des meilleures capacités à échanger des électrons (exprimée sous forme de « potentiel standard »). 

Ici, nul besoin d’avoir un doctorat en chimie. 

Vous comprendrez facilement que si le lithium est plus léger que ses camarades et qu’il échange plus d’électrons, alors il est le meilleur candidat pour stocker de l’électricité dans une batterie

Et effectivement, la batterie au lithium-ion est bien la meilleure de sa catégorie sur ces points. 

Le tableau suivant (tiré de cette thèse(2)), illustre cette supériorité totale. Et notamment au niveau de la densité énergétique (tant en densité volumique que massique) : 

comparatif lithium ion vs les autres

Les présentations étant faites, entrons maintenant dans les détails qui nous intéressent vraiment.

Et puisqu’il est impossible de comprendre un sujet sans savoir comment il fonctionne… Chers camarades, nous savons par quoi commencer.

Comment fonctionne une batterie lithium-ion ?

Pour la faire courte, une batterie lithium-ion fonctionne grâce à deux électrodes qui s’échangent des ions lithium à travers un liquide qui les sépare (le liquide électrolyte).

Les ions lithium étant chargés électriquement, leur transfert libère des électrons qui partent dans les fils et font fonctionner vos appareils électriques. 

Ça, c’est la version courte.

Mais c’est aussi la version trop simplifiée, car il se passe beaucoup de choses entre ces électrodes et ce liquide électrolytique (autre nom qu’on donne à l’électrolyte). 

Voyons donc ce qu’il en est des batteries au lithium, en version plus sérieuse.

Ça commence par une image. 

Cette image, c’est la schématisation de ce qui se passe dans la batterie lithium-ion lorsqu’elle est en phase de charge (donc lorsqu’elle est branchée sur le secteur), et lorsqu’elle est en phase de décharge (donc lorsqu’on la connecte à un objet nécessitant de l’électricité pour fonctionner).

À gauche, c’est la phase de charge.

À droite, la phase de décharge.

Fonctionnement batterie

L’image est dense, trop dense.

Mais c’est fait exprès.

Car l’objectif des prochains paragraphes va être de comprendre cette image beaucoup trop obscure au premier abord. Et je peux vous l’assurer dès maintenant : on va y arriver, sans effort. Et on va même aller bien plus en détail.

La première étape, c’est de retirer tous les bruits parasites qui n’aident pas à la compréhension du fonctionnement des batteries lithium-ion. Si on y va à la serpe, on découvre alors qu’il n’y a en réalité que 2 lieux dans lesquels l’action se passe : les électrodes et le liquide électrolyte.

Note : si vous n’avez jamais entendu ces deux mots, ne vous inquiétez pas, ils n’auront plus de secrets pour vous dans quelques minutes. 

Ce qu’il se passe à l’intérieur des électrodes

Je ne pensais pas dire ça un jour, mais Konbini a publié une vidéo très intéressante sur le fonctionnement des batteries lithium-ion. Dans cette vidéo, ils ont fait intervenir Marie-Liesse Doublet, spécialiste de la question.

Et voilà ce que vous devez retenir : les électrodes de vos batteries lithium-ion ne sont rien d’autre que des éponges.

Imaginez que vous prenez deux éponges et que vous les placez en vis-à-vis, à quelques centimètres d’écart.

électrodes batterie

Voilà, comme ça.

Sur ces éponges, vous pouvez reconnaître la partie jaune, qui est la partie poreuse.

Cette partie est parcourue de trous et de cavités en tous genres, qui lui permet de se gonfler d’eau savonneuse lorsque vous faites la vaisselle. Quand vous n’êtes pas pris de paresse, bien évidemment.

Cette partie spongieuse se retrouve à l’identique dans les électrodes des batteries au lithium.

C’est la partie dans laquelle les ions lithium se nichent. Car allez savoir pourquoi, ils aiment jouer à cache-cache dans un dédale impénétrable de grottes. Ils aiment la spéléologie. C’est leur choix, respectons-les.

Si on s’avance notre œil, on peut voir les ions lithium dans les deux éponges :

Cathode anode éponges

Sur l’image, on voit bien apparaître les ions lithium, rangés sereinement dans les cavités des deux électrodes. Les plus zélés remarqueront qu’il y a plus d’ions lithium dans l’électrode de gauche que dans l’électrode de droite

Ils ont eu raison de le noter, et nous verrons très vite que cette remarque nous sera utile.

Et ceux qui sont encore plus zélés sont en train de trépigner. Car en zoomant sur les électrodes, deux mots sont apparus : « cathode » et « anode ».

Félicitations à vous, on ne peut rien vous cacher.

Ces deux noms définissent simplement le rôle de chacune des deux électrodes dans le fonctionnement des batteries li-ion. 

Certains parlent aussi d’électrode positive et négative. À juste titre, car comme Marie-Liesse Doublet me l’a précisé par échange d’e-mails, le termes « anode » et « cathode » sont des abus de langage dans le cadre des batteries rechargeables. 

Je préfère ne pas m’engager là-dedans, car ça complexifie les choses quand on souhaite simplement comprendre les mécanismes de base.

À mes yeux, il n’y a qu’une chose à retenir : dans le mot « cathode », il y a plus de lettres que dans le mot « anode ». La cathode est donc l’électrode dans laquelle il y a plus d’ions de lithium, à l’état d’équilibre (je parle d’équilibre mais nous verrons dans quelques lignes que ça n’en est pas vraiment un). 

Sur notre image, c’est bien le cas. 

Pour le moment, nous n’en savons pas beaucoup plus sur le fonctionnement des batteries au lithium. Mais patience, on commence à dérouler la pelote de laine.

La prochaine étape, c’est de savoir en quoi sont faites ces électrodes. Car ça a une incidence non-négligeable sur beaucoup de points.

Les différentes compositions d’électrodes

Nous sommes dans une époque sublime durant laquelle les objets donnent l’impression de fonctionner par une magie irrésistible.

Les niveaux de complexité augmentent et sont masqués par une facilité d’usage hautement réfléchie, qui nous empêche de voir ce qui se passe en coulisses. Si bien qu’il n’est pas rare d’oublier (et j’en suis le premier coupable) que quand on fabrique un objet, on doit le produire à partir d’un matériau précis.

Et le problème de ce matériau, c’est qu’il n’apparaît pas par un miracle surnaturel. Il est conçu, réfléchi et échafaudé par des armées de personnes dans l’ombre.

C’est évidemment le cas des électrodes de nos batteries.

Dans la théorie, on se dit que c’est simple : il suffit de trouver un matériau parcouru de trous qui permettent de contenir les ions lithium afin de coller aux dessins que j’ai présentés plus haut.

Dans la réalité, c’est évidemment un casse-tête.

Et la composition de ces électrodes est le fruit de dizaines d’années de recherche par de nombreux chimistes. 

Dès lors, on imagine bien qu’on a trouvé des milliers de solutions différentes pour la composition de ces électrodes. Ces solutions sont inégales, avec des avantages et des inconvénients.

Mais avec le temps, il semblerait que certaines compositions sortent du lot. 

Commençons par la plus simple : l’anode.

Pour rappel, c’est l’électrode qui – à l’équilibre – abrite moins d’ions lithium. C’est la plus simple électrode car le matériau qui la compose est le même dans la totalité des batteries que j’ai rencontrées dans mes recherches.

Ce matériau, c’est le graphite.

L’anode est toujours (du moins à ma connaissance) en graphite. J’ignore les raisons exactes, mais ce que je sais, c’est que le graphite coche parfaitement une case qui nous intéresse : il est constitué d’une myriade de trous.

Imaginez la tour Eiffel, avec sa structure particulière (qu’on appelle treillis).

Vous avez devant les yeux l’agencement des atomes de carbones qui composent le graphite. On comprend alors aisément que les ions lithium ont toute la place de s’installer dans les millions de cavités du graphite.

C’est donc validé pour l’anode : elle est faite de graphite, de graphite et encore de graphite.

C’est une autre histoire pour la cathode.

Car les candidats sont plus nombreux et multiples. On compte exactement 5 grands candidats d’après un rapport Avicenne Energy(3) :

  • Les cathodes en oxyde de nickel-cobalt-aluminium – dont la formule est Li(Ni0,80Co0,15Al0,05)O2. Par simplicité, on les appelle NCA, pour Nickel Cobalt Aluminium.
  • Il y a aussi les cathodes en oxyde de nickel-manganèse-cobalt, dont la formule est Li(Ni0,45Mn0,45Co0,10)O2. Leur doux surnom est NMC, pour Nickel Manganèse Cobalt.
  • Viennent ensuite les cathodes en fer-phosphate – dont la formule est LiFePO4. On les appelle communément LFP, pour Lithium Fer Phosphate.
  • Puis les cathodes en oxyde de cobalt – dont la formule est LiCoO2. Elles sont plus connues sous le nom LCO pour Lithium Cobalt Oxyde.
  • Enfin, il y a les cathodes en oxyde de métal – dont la formule est LiMn2O4. On les surnomme LMO pour Lithium Metal Oxyde. 

Pour plus de détails sur les compositions des différentes électrodes, vous aurez de la lecture ici(4) et ici(5).

Nous voilà arrivés à la fin de la première étape : nous savons que les électrodes sont des éponges, et qu’elles sont chargées d’ions lithium.

Mais que se passe-t-il ensuite ? 

Ça se résume en un mot : électrolyte.

Qu’est-ce que le liquide électrolytique ?

Reprenons nos deux éponges (la cathode à gauche, remplie de lithium, et l’anode à droite, moins gonflée en lithium).

En l’état, elles ne servent à rien.

Alors je vous propose de les immerger dans un liquide électrolytique (autrement appelé électrolyte). Ce liquide se retrouve dans toutes les batteries lithium-ion, et c’est lui qui leur permet de fonctionner. 

Note : Il n’est d’ailleurs pas toujours liquide, mais peu importe, faisons comme si.

Electrolyte

Sur l’image, nous voyons bien nos deux électrodes que nous venons de plonger dans l’électrolyte.

Pour l’instant, il ne se passe pas grand-chose. Enfin si : on voit des ions lithium (Li+) qui frétillent dans l’électrolyte

Ce sont nos héros.

Car s’ils n’en sont pas conscients, ce sont eux qui permettent à toutes nos machines de fonctionner sans câble d’alimentation laborieux. Ce sont des héros du quotidien, dont on oublie l’existence tant ils travaillent en silence.

Mais avant d’observer l’exploit qu’ils permettent, j’aimerais souligner un détail.

C’est que la composition chimique de l’électrolyte est toujours la même (à quelques nuances près) chez toutes les batteries lithium-ion : des sels de lithium dissous dans un solvant. Il y a évidemment quelques complexités, mais c’est toujours la même composition, quelle que soit la cathode choisie.

C’est peut-être un détail pour vous, mais pour moi ça veut dire beaucoup.

Car ça veut dire que derrière le miracle technologique qui constituent les batteries, se cache une sorte d’universalité rassurante :

  • une anode en graphite (toujours la même), 
  • un électrolyte (toujours le même).

Seule la cathode demande de faire des choix forts. Et quels choix.

Mais nous y reviendrons.

Que se passe-t-il de si magique dans l’électrolyte ?

Quoi qu’il en soit, c’est dans l’électrolyte que se passe la magie, par l’intermédiaire des petits ions lithium.

Pour vous en convaincre, il suffit de brancher nos deux électrodes-éponges sur le secteur :

Charge batterie lithium ion

Je sais, j’ai ajouté deux nouveaux éléments à gauche et à droite de nos électrodes éponges.

Car pour les brancher au secteur, il faut bien trouver une solution technique. La solution que les constructeurs choisissent est toujours la même : ils apposent une feuille d’aluminium au dos de la cathode, et une feuille de cuivre au dos de l’anode

Leur doux nom ?

Les collecteurs. Car ils collectent les électrons.

Pourquoi ce choix de matériaux ?

Deux raisons :

  1. Ces deux métaux (le cuivre et l’aluminium) conduisent très bien l’électricité – ils permettent donc un passage très fluide des électrons qui viennent du secteur.
  2. Et ces deux métaux sont ce qu’on appelle un couple redox (pour « réducteur – oxydant »).

Sans entrer dans les détails, ça veut dire qu’ils permettent à la réaction d’oxydoréduction (le nom scientifique de la réaction chimique qui se cache derrière le fonctionnement des batteries lithium-ion) de se produire

Une fois que les deux feuilles d’aluminium et de cuivre sont identifiées, on peut regarder le reste de l’image.

Et quand on observe bien, on comprend qu’il se passe quelque chose : la magie de la batterie lithium-ion opère.

En effet, l’apparition du cuivre au dos de l’anode produit comme un appel d’air chez les électrons qui couraient dans le réseau électrique. Ils se ruent vers la feuille de cuivre, irrémédiablement attirés par les ions de lithium qui s’impatientaient dans l’électrolyte, dans l’attente de rejoindre le ventre de l’anode.

À l’opposée, dans la cathode, c’est l’inverse qui se produit.

Les électrons que les ions lithium avaient confié à leur entourage pour qu’ils puissent se reposer dans les creux de la cathode n’en démordent pas : ils veulent rejoindre le réseau électrique à travers la feuille d’aluminium.

C’est plus fort qu’eux. Alors ils se détachent de leur confort, expulsant les ions lithium de leurs cavités. Elles sont en effet déséquilibrées sans les électrons qui viennent de prendre leurs jambes à leurs cou.

Les ions lithium se résignent alors à plonger dans l’électrolyte, maintenant qu’ils ne sont plus les bienvenus. Ce n’est pas peine perdue car dès qu’ils touchent l’électrolyte, les voilà inéluctablement appelés par l’anode. 

Elle leur promet un électron pour retrouver le repos qu’ils viennent ont ils ont été privés.

Si bien qu’à la fin, la cathode est vidée de ses ions lithium, alors que l’anode en a fait le plein.

À ce moment-là, la batterie est complètement chargée.

Les électrons qui transitent dans le réseau ne sont plus intéressés par la visite, puisqu’on ne leur promet plus de trouver d’ion lithium pour s’accoupler et se reposer. 

Note : Vous vous souvenez peut-être que j’ai utilisé le terme « équilibre » pour décrire l’état de la cathode remplie de lithium et l’anode pauvre en lithium.

En réalité, les électrodes n’étaient pas à l’équilibre, mais plutôt dans un état de décharge. Mais vous imaginez bien qu’il était un peu tôt pour introduire ces notions de décharge, alors j’ai préféré simplifier. Mille excuses !

Notre batterie est donc chargée à 100%, prête à en découdre.

Reste à savoir ce qui se passe après.

La décharge de la batterie lithium-ion

Il est assez intéressant de noter que quand la batterie est remplie et qu’on la débranche, il ne se passe plus rien.

Note : pas exactement « rien », car la batterie se décharge un tout petit peu même quand elle n’est branchée à rien. On appelle ça l’autodécharge. Mais faisons comme si.

Les ions dorment sereinement dans l’anode et les autres ions lithium tournent en rond dans l’électrolyte. Le temps est arrêté. Jusqu’à ce qu’on décide de brancher la batterie à un objet électrique. Un moteur, par exemple.

Car dès qu’on ouvre les vannes, c’est comme si on ouvrait la boîte de Pandore.

Un immense appel d’air fait vibrer les électrons (jusque-là au repos à proximité des ions lithium de l’anode). Il se produit alors le même scénario que celui que j’ai décrit plus haut : 

  • les électrons se détachent de la périphérie des ions lithium, 
  • qui deviennent des ions parjures, 
  • qui plongent dans le liquide électrolyte,
  • et qui rejoignent la cathode pour retrouver leur repos perdu.

Les électrons néo-célibataires assaillent le moteur nouvellement branché, qui tourne sur lui-même comme dans une valse des siècles derniers. La nature est romantique, et nous savons utiliser son ardeur pour la mettre à profit. 

Autrement dit, le scénario est identique à celui de la charge, mais en sens inverse :

Décharge batterie lithium ion

Et invariablement, la musique finit par se répéter : la migration des électrons vers le moteur et des ions lithium vers la cathode se termine lorsque la cathode est entièrement remplie, et l’anode entièrement vide.

Jusqu’au prochain épisode. 

Nous y voilà donc : nous avons vu en détail ce qui se produit dans une batterie lithium-ion, lors d’un cycle complet de charge/décharge. Et arrivés en ce point, nous avons rempli notre objectif de comprendre l’image qui nous semblait si obscure il y a quelques minutes. 

C’est donc une victoire éclatante !

Éclatante ?

En sommes-nous bien sûrs ? 

Car il y a un ou deux détails qu’on trouve sur l’image juste au-dessus dont nous n’avons pas parlé. Pour preuve :

  • Savez-vous ce que représente la bande verte et la bande rouge sur les électrodes ?
  • Et avez-vous identifié les pointillés au centre de l’électrolyte ?

Le séparateur et les interfaces : ce que je vous ai caché

Ces 3 bandes (verte, rouge, et pointillée) ne sont pas les plus importantes pour comprendre le fonctionnement d’une batterie lithium-ion.

Elles représentent plutôt les derniers petits détails qui permettent à la batterie de fonctionner correctement.

Batterie lithium ion séparateur interface

Je ne vais donc pas m’appesantir trop longtemps sur elles, mais simplement résumer leurs rôles.

Grossièrement :

  • Le séparateur permet de favoriser le déplacement des ions lithium dans l’électrolyte (ce qui est pratique) et empêche ce qu’on appelle « les dendrites » de ruiner tous nos efforts.

Les dendrites sont des sortes de stalagmites en matériaux métalliques qui se forment à la surface des électrodes et qui peuvent créer un court-circuit si elles touchent l’électrode opposée.(6)

Et puis c’est tout.

Mais ce que nous avons étudié jusqu’à présent ne peut pas vraiment être considéré comme une batterie lithium-ion. C’est plutôt une cellule de batterie lithium-ion.

Et on va voir dès à présent ce que cette nuance implique.

Le pack batterie lithium-ion

Le problème, c’est qu’on utilise tellement le terme « batterie » qu’on en a oublié son sens premier.

Quand on parle de batterie pour le stockage de l’électricité, on parle en réalité de batterie d’accumulateurs. On a totalement arrêté d’employer cette expression, mais si vous regardez les papiers scientifiques de la deuxième moitié du 20ème siècle, vous la croiserez partout. 

Ce raccourcissement n’est pas un mal, puisqu’il permet d’économiser notre salive.

Mais il nous fait oublier que quand on évoque une batterie, c’est au sens littéral : la batterie pour le stockage d’électricité est une batterie, donc un ensemble, d’accumulateurs électriques. Ce qui veut dire qu’une batterie est toujours un assemblage d’éléments plus petits.

Toujours.

Donc qu’on parle d’une batterie de smartphone, de perceuse ou de Tesla, c’est le même principe.

Ça, c’est une batterie de Tesla :

Batterie lithium ion Tesla

On voit bien la juxtaposition de petites cellules en formes de piles circulaires, rangées dans des modules. Et ces modules sont eux-mêmes rangés pour former la batterie.

Ça, c’est une batterie de perceuse :

Batterie lithium ion perceuse

Elle, c’est encore plus enfantin : la batterie est formée de cellules cylindriques, branchés en série et en dérivation et empilées tant bien que mal.

Et ça, c’est une batterie d’iPhone :

Batterie lithium ion iphone

Cette fois les cellules ne sont pas circulaires, elles sont plates. Mais c’est la même idée que pour la perceuse. 

Les batteries suivent donc toutes cette même structure.

Elles sont un assemblage de cellules, avec parfois des modules intermédiaires. Et je le reconnais, ça peut faire un choc.

Car la plupart des batteries telles qu’on les connaît ne sont rien d’autre qu’un empilement de piles cylindriques qu’on pourrait presque trouver à Auchan. Un mythe se brise. Mais que voulez-vous, c’est la rançon de notre quête de compréhension.

Seule la batterie des smartphones ne suit pas ce schéma d’une banalité désespérante, grâce son empilement de cellules en formes de feuilles. Cette exception est une première illustration qu’en matière de cellules, il y a l’embarras du choix

Et c’est ce que nous allons voir tout de suite.

Les différentes géométries de cellules

Si la batterie de l’iPhone est si différente de celle de la Tesla, c’est que les cellules qui la composent n’ont pas la même géométrie.

Celles de la Tesla ont une forme cylindrique. On dit donc que ce sont des cellules cylindriques. Qui l’eut cru ?

Alors qu’à l’inverse, les cellules de l’iPhone ont une forme plate. On dit donc que ce sont des cellules poches, comme vous pouviez vous y attendre.

Mais ce n’est pas tout. 

Car il y a aussi les cellules prismatiques, qui sont en forme de pavés droits.

Ici, on pourrait se dire qu’on s’embête beaucoup à définir ces différentes géométries. On pourrait aussi se dire que ça ne sert à rien d’aller trop en détail, et qu’on pourrait se contenter de discuter des géométries les plus utilisées.

Certes.

Mais le problème, c’est que ces 3 géométries sont assez couramment utilisées.

Il suffit de regarder les batteries des voitures électriques pour le constater : la Model S de Tesla est équipée de cellules cylindriques, la i3 de BMW est dotée de cellules prismatiques et la Leaf de Nissan fonctionne grâce à des cellules poches.(8)

Que du bonheur :

batterie lithium ion cellule cylindrique prismatique poche

Et c’est dans ces cellules que se trouve le nerf de la guerre.

Car c’est en leur sein que se produit le mécanisme de stockage que nous avons étudié bien en détail au-dessus. C’est donc en leur sein que se trouvent les électrodes, l’électrolyte, le séparateur et les interfaces

Si vous êtes hypersensibles, la prochaine partie risque de vous bouleverser.

Pour cause : non contents d’avoir démystifié les batteries en découvrant qu’elles n’étaient qu’un assemblage de cellules, nous allons voir qu’en réalité, ces cellules s’apparentent à un plat de lasagne façon fourres-y-tout.

L’intérieur des cellules de batteries lithium-ion

Jusqu’à présent, nous n’avons fait que zoomer.

Nous sommes partis des batteries lithium-ion vues de loin, puis nous avons observé qu’elles étaient composées d’un assemblage de cellules. 

Maintenant, nous allons entrer dans le dernier niveau de détails des batteries : nous allons voir à quoi ressemble réellement l’intérieur des cellules de votre Tesla ou de votre iPhone.

Si vous vous souvenez bien (et vous vous souvenez bien, j’ai confiance en vous), nous avons parlé du fonctionnement des batteries lithium-ion (avec les électrodes et l’électrolyte).

Mais par la suite, nous n’avons jamais dit exactement comment les industriels faisaient pour installer ces mécanismes électrochimiques complexes dans leurs batteries.

La réponse, vous l’imaginez bien, c’est que tout se passe dans les cellules de batterie.

Et la réponse encore plus précise, c’est que tout se produit grâce à un simple empilage de tous les éléments nécessaires au fonctionnement de ces cellules de batteries :

  • la cathode, 
  • l’anode, 
  • le séparateur, 
  • l’électrolyte liquide ou solide (quand elle est solide, on appelle ça lithium-polymère ou li-polymer en anglais), 
  • et les collecteurs.

Ils se contentent donc d’empiler toutes ces couches et de les faire rentrer comme ils le peuvent dans l’habitacle des cellules(9) :

cellules batterie lithium ion Model S Nissan Leaf BMW i3

C’est quoi une batterie 18650 ?

On parle souvent de batteries 18650. C’est un abus de langage, car quand on évoque les chiffres 18650, on décrit en réalité des cellules 18650.

Elles font partie de la famille des cellules cylindriques, et elles représentent la majorité des cellules cylindriques qui équipent les véhicules électriques.

Pourquoi 18650 ?

Simplement pour spécifier leurs dimensions : 18 mm de diamètre et 65 mm de hauteur.


Je me délecte toujours de constater que derrière des technologies extrêmement poussées se cachent des élaborations souvent archaïques. 

Évidemment, ne vous méprenez pas : les différentes couches de ces cellules sont très sophistiquées.

Mais quand même, c’est assez sublime de voir la simplicité aberrante de ces empilages. D’autant plus quand on sait que c’est certainement dans ces empilages aux allures enfantines que se trouve une des réponses aux enjeux énergétiques de notre siècle.

Plus haut, j’ai donné toutes les dimensions des cellules utilisées dans la Model S de Tesla, dans la BMW i3 et dans la Nissan Leaf. Je l’ai fait pour que vous puissiez ressentir à quel point ces cellules sont petites et à quel point leur capacité est faible (seulement 3,7 V en moyenne).

Elles ne sont rien d’autres que des briques de Legos.

Elles sont en elles-mêmes très modestes, mais lorsqu’elles sont assemblées, elles peuvent faire fonctionner des voitures de plus d’une tonne.

Bien plus qu’une extraordinaire source de stockage d’électricité

Nous voilà arrivés au bout du bout des batteries lithium-ion.

Nous les avons totalement démontées, nous avons vu leur fonctionnement, nous avons compris leur structure et leurs composants. À ce stade, nous en savons plus que la plupart de ceux qui se pensent experts du sujet (je m’inclue dans ces gens-là, j’ai beaucoup appris en écrivant cet article).

Mais nous ne pouvons pas nous arrêter en si bon chemin.

Car pour le moment, nous n’avons étudié les batteries lithium-ion qu’avec le costume de chimistes. Ça ne suffit pas.

Les batteries lithium-ion ne sont pas qu’une extraordinaire solution de stockage d’électricité.

Elles ont l’ambition de révolutionner notre monde, en rendant caduques la plupart des technologies qui fonctionnaient par la grâce de la combustion du pétrole. Leur dessein nous oblige donc à poser des questions beaucoup plus larges et sociétales.

Par exemple, qu’en est-il de l’impact environnemental des batteries lithium-ion ? Et quid de leur fin de vie ? Sans oublier leur efficacité, sont-elles si pertinentes sur ce point ?

C’est ce que nous allons voir dans la prochaine partie. 

Et puisque ma spécialité se concentre sur les véhicules électriques, je vais répondre à ces questions en me focalisant sur les batteries lithium-ion des véhicules électriques. Et puis comme ça, pas de jaloux : motos électriques et voitures électriques, même combat.

Les batteries lithium-ion dans les véhicules électriques

La première action à laquelle nous devons procéder est évidemment d’établir un état des lieux de la situation.

Ce n’est pas toujours l’étape la plus amusante, mais c’est hautement nécessaire pour avoir une idée claire de ce qu’il reste à faire.

Les batteries lithium-ion ont l’ambition de bousculer l’ordre des choses ? 

C’est noté. 

Mais de grandes ambitions impliquent de grandes responsabilités. Il s’agit alors pour les batteries lithium-ion d’accepter qu’on les observe avec une impartialité exemplaire, sans complaisance.

État des lieux : une chimie prédomine

Vous vous rappelez certainement, par un souvenir très lointain, qu’on a parlé de plusieurs technologies de cathodes.

Plus précisément, j’en ai évoqué 5 :

  • NCA,
  • NMC,
  • LFP,
  • LMO,
  • et LCO.

Quand je les ai énumérées plus haut dans cet article, je ne suis pas entré dans les détails.

Mais maintenant, je ne peux plus vraiment faire cette économie. Car chacune de ces technologies de cathode présente ses forces et ses faiblesses. Et que selon l’usage final, ces technologies ne sont pas égales.

La première remarque à savoir, c’est que pour éviter d’utiliser le mot « cathode » à tout bout de champ (et donc faire fuir les honnêtes citoyens), on préfère parler de chimie.

Ainsi, une cellule avec des cathodes en LFP sera décrite comme une cellule avec une chimie LFP. Et c’est la même chanson pour les 4 autres chimies.

La suite, c’est d’étudier les chimies qui nous intéressent vraiment.

Par exemple, la chimie LCO est majoritairement utilisée dans les objets électroniques comme les smartphones, tablettes et autres ordinateurs portables(10). Nulle trace de cette chimie dans les véhicules électriques.

Je ne vais donc pas m’embêter à l’intégrer à mes recherches.

4 chimies, c’est déjà bien assez de travail.

Fort de ce premier écrémage (modeste, j’en conviens), je me suis dit qu’il serait pratique de connaître la répartition de ces 4 chimies dans les batteries de véhicules électriques.

Au moment où je vous écris ces lignes, je regrette cette idée.

Car j’ai dû éplucher tout internet pour trouver ces informations. Mais j’ai fini par rassembler une liste (grâce à cet article datant de 2017, et de quelques passages sur les pages de ventes des véhicules cités(11)) :

  • Tesla Model S : NCA,
  • Renault Zoé : NMC,
  • Tesla Model X : NCA,
  • BMW i3 : NMC,
  • Tesla Model 3 : NCA,
  • Nissan Leaf : LMO et NMC (ils font les deux apparemment),
  • Volkswagen e-Golf : NMC,
  • Chevrolet Spark : LFP,
  • Fiat 500e : NMC,
  • Kia Soul EV : NMC,
  • Audi e-Tron : NMC,
  • Kia Niro : NMC,
  • Toutes les motos électriques d’Energica : NMC,
  • Toutes les voitures hybrides rechargeables (à ma connaissance) : NMC.

À la lecture de cette liste, on voit très distinctement que toutes les chimies ne se valent pas.

Tesla est le seul constructeur à avoir fait le choix de la chimie NCA. Mais Tesla vend tellement de voitures (500 000 en 2020(12)) que la chimie NCA représente l’une des chimies les plus vendues.

Mais si on regarde les autres lignes, on réalise que c’est la chimie NMC qui écrase la concurrence. On la retrouve dans la plupart des voitures électriques à batteries, dans toutes les voitures hybrides rechargeables et dans toutes les motos électriques (même si les constructeurs ne veulent pas l’avouer).

Seule la Spark de Chevrolet fait de la résistance avec sa chimie LFP. Et nous allons voir par la suite que leur choix n’est pas anodin.

Voilà donc qui dresse un tableau relativement précis des batteries lithium-ion dans les véhicules électriques. Mais à ce point, quelques questions nous démangent forcément :

  • Pourquoi de telles différences ?
  • Pourquoi aucune chimie ne prend réellement le dessus ? 

La réponse porte un nom que je vous conseille d’utiliser à tout bout de champ pour paraître érudits : la densité énergétique.

La densité énergétique d’une batterie lithium-ion

La densité énergétique d’une batterie, c’est simplement la capacité d’une batterie à stocker de l’énergie en gardant une masse raisonnable. 

L’unité de cette densité énergétique se mesure en kWh/kg (ou kg/kWh, selon vos désirs) : car le kWh est l’unité de l’énergie, et le kg est l’unité de cette chose qui complexe 90% de la population mondiale.

Une fois que j’ai validé cette notion, j’ai cherché les densités énergétiques des différentes chimies de batteries lithium-ion. Et j’ai trouvé quelques résultats intéressants.

D’abord j’ai vu cette courbe (j’ai essayé de la rendre plus belle que l’originale) dans cet article(13) :

densité énergétique chimies NMC LFP

On y observe bien que les batteries LFP affichent une capacité en kWh inférieure à celle des batteries NMC, alors même qu’elles sont plus lourdes. 

Si on prend le meilleur score des batteries LFP (24 kWh pour 300 kg) et qu’on le compare au moins bon score des batteries NMC (40 kWh pour 220 kg), la chimie NMC affiche une densité énergétique 2,27 fois supérieure à la chimie LFP (0,1818 kWh/kg contre 0,08 kWh/kg).

Le coup est dur.

Mais qu’en est-il des autres chimies ?

Une autre publication de recherche nous donne des pistes :

  • LMO : 0,42 kWh/kg
  • NMC : 0,56 kWh/kg
  • NCA : 0,56 kWh/kg
  • LFP : 0,48 kWh/kg

Selon cette source, l’écart entre la chimie NMC et la chimie LFP est moins important (16,7%). D’ailleurs, les chiffres de densité énergétique sont bien supérieurs à ceux que donnait la courbe précédente.(14)

Mais quoi qu’il en soit, cette étude nous donne le classement des 4 chimies en termes de densité énergétique. Et on observe très clairement que les 2 chimies les plus utilisées dans les véhicules électriques (NMC et NCA) se partagent la première place du podium.

Il y a aussi cette courbe (que j’ai aussi rendue un peu plus esthétique que l’originale), fournie par Renault et citée par cet article(15), un peu plus difficile à lire :

capacités specifiques chimies LFP NMC NCA LCO LMO

Sans entrer dans les détails, on voit bien que les courbes de la chimie NMC et NCA sont globalement au-dessus de celles de la chimie LMO et LFP.

Autrement dit, quelles que soient les sources, l’explication de la domination de ces 2 chimies est évidente : elles garantissent une densité énergétique supérieure aux 2 autres chimies.

Mais pour enfoncer le clou, j’aimerais faire un rapide calcul.

Batterie lithium-ion vs. Essence

On sait que la combustion d’un litre d’essence libère 10 kWh d’énergie, soit une densité énergétique de 13,25 kWh/kg (car un litre d’essence pèse 755 g). Ajoutons que le rendement d’un moteur thermique est de 25% à 30%. 

Ce qui veut dire que la densité énergétique du pétrole réellement utile est de 3,98 kWh/kg (car 30% de 13,25 kWh/kg).

Comme les moteurs électriques ont un excellent rendement (de 90%), on sait que l’énergie qui sort de la batterie lithium-ion n’est quasiment pas gaspillée. 

Mais quand même !

La meilleure densité énergétique que nous avons vue plus haut est de 0,56 kWh/kg. C’est 7,14 fois inférieur à ce qu’on trouve dans les véhicules thermiques ! On pourrait donc dire que stocker de l’énergie dans une batterie est 7 fois moins efficace que de le faire avec de l’essence.

Et le pire, c’est qu’on n’y peut rien.

Car l’essence est une sorte de miracle géologique millénaire, qui enferme en lui une densité énergétique incomparable. Il est très probable qu’on ne fasse jamais mieux, malgré nos gros cerveaux. Les batteries sont certainement vouées à perdre sur ce terrain.

Quand on connaît cette infériorité structurelle des véhicules électriques, on comprend pourquoi les constructeurs choisissent les chimies avec les meilleures densités énergétiques

Et pour cause : beaucoup pensent que le plus gros problème des véhicules électriques réside bien dans leur faible autonomie.

Je ne le vois pas comme ça, mais je les comprends.

Et si je ne le vois pas comme ça, c’est parce que ce serait une erreur de ne regarder que la densité énergétique. Il faut aussi regarder l’impact environnemental de ces batteries. Car si on roule en électrique, c’est pour réduire son impact environnemental.

On ne s’embêterait pas autant si l’impact environnemental de nos véhicules électriques était aussi désastreux que celui des véhicules thermiques, si ?

L’impact environnemental des batteries lithium-ion

C’est ici que le bât blesse.

Et vous n’avez pas pu passer à côté : la plupart de ceux qui critiquent les véhicules électriques ne parlent que de leur empreinte environnementale déplorable. Selon eux (et ils ont raison), leur fabrication est beaucoup plus polluante que celle des véhicules thermiques.

C’est embêtant.

Car ils ont bel et bien raison. Et cette fabrication déplorable est essentiellement l’œuvre d’un élément : la batterie. 

J’aurais bien aimé ne jamais avoir à écrire à ce sujet.

Mais c’est ainsi, quand on parle de batteries lithium-ion, on ne peut pas passer à côté de ça. Alors allons-y, finissons-en.

L’empreinte carbone des différentes chimies

J’aimerais commencer par une concession : j’ai été surpris par les résultats sur lesquels je suis tombés.

En effet, j’avais déjà étudié les 4 chimies de batteries lithium-ion. Et j’avais conclu que ma préférence se portait sur la chimie LFP, qui me semblait beaucoup plus louable. Vous allez le voir, elle l’est en de nombreux points.

Mais il y a un point sur lequel elle perd la bataille.

Manque de chance, c’est celui qu’on ne peut pas rater, comme le nez au milieu de la figure : la chimie LFP affiche le moins bon GWP par kWh.

Le moins bon quoi ?

GWP.

Ça veut dire Global Warming Potential, « potentiel de réchauffement climatique » en bon français. Si on se veut tatillons, on devrait dire « potentiel de changement climatique », ou Climate Change Potential. Mais nous n’allons pas faire la fine bouche.

Car le GWP est une mesure extrêmement pratique : il consiste à mesurer tous les gaz à effet de serre émis dans un certain domaine d’étude, et à les exprimer en kilogramme équivalent CO2

Ainsi, on sait que le CH4 a une capacité de stockage de la chaleur 25 fois supérieure au CO2. Alors on dit qu’un gramme de CH4 émis est égal à 25 grammes d’équivalent CO2 émis.

De cette manière, on peut estimer l’impact climatique de tous les objets qui nous intéressent, dans un périmètre donné.

Dans le cadre des batteries lithium-ion, ce périmètre se cantonne à leur production.

On y pense rarement, mais il faut bien les produire ces batteries. Et pour les produire, il y a du pain sur la planche(16) : 

  • d’abord le minage des minerais, 
  • suivi par leur raffinage, 
  • la production de la matière première des cellules et du reste de la batterie, 
  • la production des cellules 
  • et l’assemblage final.  

Si bien qu’à la fin de leur production et avant même d’être utilisées, les batteries lithium-ion ont relâché une somme considérable de gaz à effet de serre. C’est à cause de ces émissions que les opposants raillent les véhicules électriques et leurs batteries éminemment émettrices.

Et ils n’ont pas tort !

Jugez par vous-même.

Voici les résultats d’une étude qui donne les émissions d’équivalent CO2 lors de la production des 3 chimies principales des batteries lithium-ion(17) (la chimie LMO n’est pas présente mais elle affiche le même score que la NMC selon d’autres études) :

GWP chimies NCA NMC LFP

Je sais, étalés comme ils le sont, ces résultats ne parlent pas vraiment.

Mais faisons un calcul ensemble :

  • l’une des motos électriques les plus performantes du marché, la EVA Ribelle d’Energica, est équipée d’une batterie NMC de 21,5 kWh ;
  • 21,5 kWh multipliés par 75 kgCO2eq/kWh, ça fait 1612 kgCO2eq ;
  • la production de la batterie lithium-ion de la EVA Ribelle émet à elle seule 1 612 kg de d’équivalent CO2.

Comparons ce résultat avec les émissions d’une moto thermique qui me semble équivalente, la Z800 de Kawasaki :

Il faut rouler 10 530 km sur le dos de la Z800 pour émettre autant de CO2 que lors de la production de la batterie lithium-ion de la EVA Ribelle. 10 530 km, c’est presque 3 ans de moto pour une utilisation moyenne.

C’est énorme.

Et c’est le score le plus favorable, car la chimie NMC est celle qui émet le moins lors de sa production.

Voilà donc un bel axe d’amélioration qui s’offre aux batteries lithium-ion. Car si on rattrape rapidement ces 10 530 km de dette carbonique, on aimerait qu’elle soit plus faible.

D’après l’article que j’ai cité plus haut, ça passe par 2 axes :

  1. Réduire l’impact carbonique des matériaux qui composent la cathode des chimies NCA et NMC ;
  2. Et minimiser celui de l’énergie consommée lors de la fabrication des cellules (cette source d’émissions tire une balle dans le pied de la chimie LFP essentiellement).

Et ce n’est pas tout.

Je vais peut-être vous étonner, mais il n’y a pas que le changement climatique dans la vie.

Il y a aussi les émissions de gaz toxiques, avec leurs risques sur la santé humaine. Et l’acidification des eaux. Et aussi la formation photochimique de l’ozone. 

Les autres empreintes environnementales

Je ne vais pas m’attarder pendant des heures sur le sujet, car il y a beaucoup à dire.

Je ne suis d’ailleurs pas le mieux placé pour entrer dans tous les détails techniques. Moi, ce qui m’intéresse, c’est de savoir si une des 4 chimies de batteries lithium-ion est plus vertueuse que les autres

Nous avons vu qu’en termes de gaz à effet de serre, c’était la NMC qui emportait les faveurs du jury.

Selon cette étude, la chimie NMC fait plus triste mine si on regarde ses autres impacts environnementaux(19) :

  • En termes de potentiel d’acidification des océans (qui met en danger la faune sous-marine) : la chimie LFP est la plus respectueuse, suivie par la chimie LMO, puis par la chimie NMC. La chimie NCA ferme la marche.
  • Concernant le potentiel de toxicité humaine : toutes les chimies sont plus ou moins égales, hormis la chimie LMO, plus dangereuse que ses cousines.
  • En matière de particules fines : la chimie LMO est première de la classe, talonnée par la chimie LFP, puis la chimie NMC. La chimie NCA prend à nouveau la dernière position.
  • Enfin, si on regarde la formation photochimique de l’ozone (qui a un impact tant sur la santé humaine que celle des plantes) : la chimie LFP semble gagner la palme, juste devant la chimie LMO et la chimie NMC. Bonne dernière, la chimie NCA déçoit à nouveau.

Autrement dit, si on fait la moyenne : la chimie LFP est la mieux classée, devant les chimies NMC et LMO qui se valent. La chimie NCA talonne la course, loin derrière.

Voilà donc pour l’empreinte environnementale des 4 chimies de batteries lithium-ion. 

J’aurais préféré qu’une gagnante se démarque beaucoup plus clairement. Mais si on veut garder notre impartialité, on ne peut que constater que les chimies NMC, LFP et LMO sont au coude-à-coude. Seule la chimie NCA (celle des batteries Tesla) occupe une place lisible : la dernière.

Arrivé à ce point, je pourrais m’arrêter.

Mais en termes d’impact environnemental, il y en a un qui me saute aux yeux : celui du respect des ressources naturelles

En effet, si une technologie appauvrit honteusement les sols alors qu’en même temps elle affiche d’excellents scores sur les autres marqueurs, on ne peut pas la considérer comme vertueuse.

Il me paraît donc nécessaire de faire un petit virage vers ce que disent les géologues, afin de se rassurer.

Quid de l’extractivisme ?

L’un des arguments préférés des défenseurs des véhicules électriques est imparable : le pétrole est une ressource fossile, il est donc parfaitement illusoire d’imaginer qu’on en a encore pour longtemps avec les véhicules thermiques.

Les véhicules électriques sont donc nécessaires.

Vrai. Infiniment vrai.

Pourtant, on a tendance à oublier que les véhicules électriques fonctionnent eux aussi grâce à des ressources fossiles. Par exemple, personne n’ose décemment penser que les stocks terrestres en lithium ou en cobalt sont infinis. Le cobalt et le lithium sont donc des ressources fossiles.

Il s’agirait alors d’économiser ces ressources fossiles pour ne pas reproduire les erreurs du pétrole. 

La question est alors simple : les batteries lithium-ion des véhicules électriques évitent-elles cet écueil ?

La réponse est encore plus simple : non.

Vraiment pas.

Les études sont nombreuses à avoir étudié ce sujet. Par exemple, il y a celle-là(20), qu’on peut résumer avec une seule image :

graphique demande lithium cobalt

Le calcul est limpide : si la répartition dans les chimies de batteries lithium-ion reste identique jusqu’à 2050, et que les ventes de véhicules électriques explosent comme prévu, la demande en cobalt et en lithium sera supérieure à ses réserves

Autrement dit, si on continue au train actuel et qu’on ne change rien, il ne restera plus de lithium ni de cobalt dans notre sol. 

Mais il n’y a pas que ces deux minerais.

Il y a aussi le cuivre et le nickel, dont les réserves rentables ne s’élèvent qu’à 37 ans d’après le livre très sourcé de Pablo Maniglier(21).

Ces 4 minerais sont essentiels à certaines chimies de batteries lithium-ion.

Il suffit de lire la composition des 4 chimies pour s’en convaincre (d’après l’étude citée juste avant) :

  • NMC : 2% de lithium – 11,8% d’aluminium – 18,5% de cuivre – 5,5% de nickel – 5,4% de cobalt – 5% de manganèse – 8% de fer.
  • LMO : 1,3% de lithium – 19,3% d’aluminium – 17,8% de cuivre – 0,1% de nickel – 9,5% de manganèse – 8% de fer.
  • NCA : 1,6% de lithium – 13,9% d’aluminium – 13% de cuivre – 10,6% de nickel – 1,9% de cobalt – 8% de fer.
  • LFP : 1,5% de lithium – 9,8% d’aluminium – 5,4% de cuivre – 0,1% de nickel – 19,7% de fer – 6,5% de phosphore.

Vous voyez le couperet arriver ?

La chimie NMC est peut-être celle dont la production émet le moins de gaz à effet de serre. Mais c’est aussi la chimie qui consomme le plus de minerais en tension.

Elle fait presque un carton plein : c’est la chimie la plus dense en lithium, en cuivre, en cobalt. Et elle est deuxième concernant le nickel.

À l’inverse, la chimie LFP est celle qui contient le moins de minerais critiques.

Ce qui fait dire à l’étude que je cite que si on veut économiser nos sols et sortir de l’extractivisme, c’est par cette chimie qu’il faut passer

D’autant que tous ces métaux viennent de pays où les contraintes environnementales sont faibles : le Chili, la République Démocratique du Congo et la Chine.(22) 

Difficile de s’étonner de ceux qui hurlent contre les véhicules électriques.

Car dans l’état actuel des choses, l’écrasante majorité des batteries lithium-ion de ces véhicules cochent quasiment toutes les cases qu’on ne veut pas cocher :

  • elles appauvrissent les sols,
  • elles mettent en danger les êtres vivants,
  • et elles imposent un contexte géopolitique tendu.

Et si la solution était de développer la chimie LFP ?

Arrivé à ce point, je suis convaincu du besoin d’étudier la chimie LFP à destination des véhicules électriques. Car nous l’avons vu, c’est elle qui semble avoir la meilleure moyenne générale en termes d’impact environnemental.

Et c’est cette chimie qui remporte mes faveurs dans la conception de ma moto électrique.

Mais elle possède deux faiblesses.

La première, c’est la densité énergétique. Ça peut se surpasser avec une bonne conception mécanique. Et il est probable qu’elle finisse par égaler les autres chimies. 

La deuxième faiblesse est moins drôle, car c’est son impact climatique.

Là aussi, j’imagine que des progrès sont envisageables, quand on sait que la plupart de son empreinte carbone vient de l’énergie nécessaire à fabriquer ses cellules. Ça doit pouvoir se régler. Et je m’engage à pousser dans ce sens autant que possible.

Note : J’ai étudié le sujet des émissions de gaz à effet de serre causées par la chimie LFP après la rédaction de cet article. Et la solution existe. Il suffit de ne pas produire en Chine pour s’orienter vers un pays dont le mix énergétique est moins carboné. Et de cette manière, les émissions chutent drastiquement.

Pour autant, développer la chimie LFP n’est pas la solution miracle.

Car si on s’en réfère à nouveau à l’étude mentionnée au-dessus, la chimie LFP ne suffira pas à préserver nos réserves en minerais critiques. Il faut aussi faire un gros effort sur le recyclage des batteries, pour récupérer les minerais en tension et éviter de les épuiser.

Le recyclage des batteries

Le recyclage des batteries n’est vraiment pas mon terrain de jeu de prédilection.

Mais pour les abonnés du Club des Pionniers (je vous explique ce qu’est ce Club en conclusion de cet article), j’ai essayé de creuser le sujet. Et sans surprise, j’ai découvert à quel point le recyclage des batteries lithium-ion était un enjeu crucial et complexe.

Crucial car si on en croit les études que j’ai disséquées (celle-là(23) et celle-là(24)), on va se retrouver avec une somme considérable de batteries usagées dans les prochaines décennies.

Selon la deuxième étude (parue dans la revue Nature, excusez du peu), la seule année 2025 verra mourir 800 000 batteries (380 000 tonnes) de véhicules électriques. C’est gigantesque, et il sera difficile de les entasser dans le jardin.

D’ailleurs, les entasser dans le jardin serait particulièrement stupide.

Car si on fait l’effort de recycler ces batteries, une tonne de lithium ne demandera que 48 tonnes de batteries usagées, contre 750 tonnes de saumure.

Le calcul est vite fait, non ?

Oui, mais non.

Car la conclusion que j’ai partagée avec les membres du Club des Pionniers est celle de l’article de la revue Nature :

« Nous reconnaissons que la performance de l’industrie du recyclage des batteries lithium-ion sera fortement affectée par une gamme de facteurs non-techniques, comme la nature de la collecte, le transport, le stockage et la logistique lors de la fin de vie de ces batteries. »

Autrement dit, selon ces grands scientifiques, la difficulté n’est certainement pas technologique.

Elle est dans le travail besogneux de la collecte des batteries usagées. Dans les interminables heures de négociations avec les pouvoirs politiques pour contraindre les constructeurs à créer des filières logistiques pour la fin de vie de leurs batteries. Et ce n’est pas sexy du tout.

Ce qui me fait penser que oui, nous trouverons sans aucun doute une technologie qui permettra de recycler les batteries lithium-ion à 98%.

Mais je suis beaucoup plus dubitatif sur la bonne volonté de tous les acteurs qui devront participer à la corvée logistique que le recyclage implique.

Pourtant, le jeu en vaut la chandelle. 

Et nul doute qu’à la fin, on finira bien par y arriver. 

Conclusion : quelle batterie lithium-ion pour ma moto électrique ?

Si j’ai écrit ce long article, ce n’est certainement pas par charité chrétienne.

Je devais me faire une idée aussi précise que possible sur les batteries lithium-ion. Pourquoi m’infliger ça ? Car je construis ma moto électrique. Et je veux qu’elle soit la première moto électrique réellement respectueuse de l’environnement.

Je crois d’ailleurs que c’est sur cette question que tous les autres constructeurs échouent.

Et si nous y arrivons, tous ensemble, nous ne serons pas si loin de produire le Tesla des motos électriques.

C’est ambitieux, c’est vrai. Mais ça serait un beau symbole d’y parvenir en France, le pays qui a permis à la moto d’être ce qu’elle est aujourd’hui

Cet article avait pour mission de savoir si la batterie lithium-ion pouvaient participer à cette vision. Je ne sais pas ce que vous en pensez, mais j’ai l’impression que dans l’état actuel des choses, il y a de quoi réduire leur empreinte écologique grâce à la chimie LFP.

Plus haut, j’ai parlé du Club des Pionniers.

J’ai aussi dit que nous y arriverons « tous ensemble ».

C’est parce que je ne veux pas construire ma moto électrique dans mon coin. Je veux qu’on soit des milliers à la concevoir, à la polir et à la perfectionner. Je le veux car je suis frustré des constructeurs traditionnels qui ne nous laissent aucune place dans la conception de leurs motos.

Pour y parvenir, j’ai créé un Club.

Il s’appelle le Club des Pionniers, et il permet de recruter parmi vous tous ceux qui sont passionnés par le sujet. 

Je vais éviter de trop en dire, car il vous faut digérer ce long article. Mais si vous souhaitez vous renseigner à propos de ce Club, je vous invite à vous rendre sur cette page. J’y ai tout expliqué.

On se retrouve dans les commentaires de cet article, juste après les sources !


Sources

Avant de citer toutes les sources, j’aimerais remercier chaleureusement Marie-Liesse Doublet, à la tête de l’Institut Charles Gerhardt de Montpellier. Elle nous a fait l’amitié de relire notre article et de corriger nos erreurs de non-experts (dont une assez magistrale). Merci à elle !

(1) The rechargeable battery market and main trends 2018-2030, Christophe Pillot

(2) Etude et modélisation de l’interface graphite/électrolyte dans les batteries lithium-ion, Sarine Chhor

(3) Worldwide Rechargeable Battery Market 2019-2030, Avicenne

(4) Thermal runaway of commercial 18650 Li-ion batteries with LFP and NCA cathodes – impact of state of charge and overcharge, Royal Society of Chemistry

(5) Thermal-runaway experiments on consumer Li-ion batteries with metal-oxide and olivin-type cathodes, Royal Society of Chemistry

(6) BU-306: What is the Function of the Separator?, Battery University

(7) Role of the Solid Electrolyte Interphase in Lithium-Ion Batteries, Kelsey Pian

(8) Recycling lithium-ion batteries from electric vehicles, Nature Research Journal

(9) Détermination in-situ de l’état de santé de batteries lithium-ion pour un véhicule électrique, Elie Riviere

(10) Worldwide Rechargeable Battery Market 2019-2030, Avicenne

(11) The Development and Future of Lithium Ion Batteries, George E. Blomgren

(12) Tesla a livré près d’un demi-million de véhicules en 2020, Tristan Gaudiaut

(13) Application of Life Cycle Assessment to Lithium Ion Batteries in the Automotive Sector, MDPI

(14) 2020 cathode materials cost competition for large scale applications and promising LFP best- in- class. Title: performer in term of price per kwh, Fabrice Renard

(15) État de l’art et perspectives des batteries de voitures électriques, ENS Paris-Saclay

(16) Lithium-Ion Vehicle Battery Production Status 2019 on Energy Use, CO 2 Emissions, Use of Metals, Products Environmental Footprint, and Recycling, Reasearch Gate

(17) Toward a cell‐chemistry specific life cycle assessment of lithium‐ion battery recycling processes, Journal of Industrial Ecology

(18) Comment calculer les émissions de CO2 en fonction de la quantité de carburant consommé ?, Ecoscore

(19) Providing a common base for life cycle assessments of Li-Ion batteries, Journal of Cleaner Production

(20) The Issue of Metal Resources in Li-Ion Batteries for Electric Vehicles, Behaviour of Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicles

(21) Métaux rares et terres rares, Pablo Maniglier

(22) RMIS – Raw materials in the battery value chain, The European Commission’s science and knowledge service

(23) Recycling of Batteries from Electric Vehicles, Research Gate

(24) Recycling lithium-ion batteries from electric vehicles, Nature Research Journal

8 commentaires

  1. Uchi

    Ne pas oublier également que si on prend la chaine de production de l’électricité, il ne faut pas non plus oublier l’extraction et le raffinage du pétrole.
    Et la, la balance des 10k km avant la faveur de l’électrique peut être encore plus courte.

    Pour ce qui est des technologies, je planifie également la mienne en Lifepo4 densité basse, mais aussi voir que au kWh car comme dit précédemment dans un autre commentaire mon axe est beaucoup le prix final sur du déjà disponible avant de développer des solutions maison.
    Le second soucis des LFP est leur courant de décharge en pic. Les cellules sont souvent limitées à efficacement décharger 1C donc pour les appels de puissance, les dimensionner à 1:1 avec la puissance nominale du moteur et les coupler avec des Super condensateurs pour le régénératif comme les accélérations me semble le meilleur compromis.

    Le terme d’encombrement en revanche est présent tout le long quand on souhaite une autonomie correcte péri-urbaine.

    Et malheureusement les batteries solides sont à peine sorties des labos, loin de l’industrialisation de masse.
    Le jour ou elles sortirons en masse, ce sera la véritable révolution électrique.

    PS : Je ne reçois pas de retour mail (y compris vérifié les spam) lors d’une réponse sur le site.

    • Julien Vaïssette

      Salut,
      J’ai pris en compte le raffinage du pétrole dans mon calcul qui m’a permis d’aboutir aux 10 000 km de distance nécessaire pour rembourser la dette carbonique 🙂
      Je m’aligne avec tout ce que tu dis, hormis sur le 1C. J’ai vu des cellules sur le marché se décharger avec beaucoup plus de vélocité (5C par exemple).
      En tout cas, heureux de savoir que toi aussi tu es séduit par la chimie LFP, qui génère effectivement son lot de challenge !

      Concernant le mail de réponse, j’ai cherché comment l’activer mais je ne trouve pas. Je ne sais pas si c’est possible…

  2. Adama ouedraogo

    Merci infiniment pour cette article d’après l’un de vos documents proposé les batteries en lithium-ion sont pour le moment les meilleurs pour véhicules électrique

  3. Romain Blanquet

    Merci pour le partage de cette réflexion, c’est instructif.
    Pour info, la traduction de GWP est PRG (Pouvoir Réchauffement Global) suivant l’ADEME.
    Aussi, le bilan CO2e sur l’ACV devrait inclure les émissions associées à la production de l’électricité. Suivant le pays considéré, « l’amortissement » des émissions CO2e liées à la production de la batteries par l’utilisation est plus moins long…

    • Julien Vaïssette

      Bonjour Romain,
      Merci pour ton commentaire !
      C’est vrai que j’aurais pu faire l’effort de trouver l’équivalent français du GWP. Va pour le PRG alors !
      Et pour la production de l’électricité, j’ai consciemment laissé ça de côté. Car en soi, avoir une électricité decarbonée lors de l’usage ne doit pas faire oublier les GES rejetés lors de la fabrication.
      Mais j’ai conçu un petit outil pour comparer l’impact du pays d’usage des VE, et les résultats montrent très clairement que tous les pays ne sont pas égaux, malheureusement…

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