2023-09-07 15:29:51
Cologne À première vue, la JAC Sehol E10X ressemble à une autre citadine électrique venue de Chine. Mais ce que le constructeur automobile chinois JAC a présenté il y a quelques mois constitue une étape importante pour l’électromobilité. La petite voiture est la première voiture électrique équipée d’une batterie sodium-ion.
Quiconque s’occupe de batteries de voiture peut facilement perdre le fil : lithium-ion, sodium-ion, batterie à semi-conducteurs, cellule unitaire. «Il existe un large spectre de technologies de batteries avec tout un zoo de matériaux et de concepts», explique Lukas Weymann, scientifique à l’Institut Fraunhofer pour la recherche sur les systèmes et l’innovation (ISI).
L’interdiction des moteurs à combustion interne dans l’Union européenne à partir de 2035 donnera un nouvel élan à l’électromobilité. Les chercheurs en batteries rivalisent dans le monde entier pour trouver la meilleure batterie. Une chose est sûre : quiconque excelle dans ce domaine est très apprécié des clients.
Weymann estime : La batterie lithium-ion, qui constitue actuellement le statu quo technologique parmi les batteries automobiles, continuera probablement à dominer « dans les prochaines années ». Cependant, il vaut la peine d’examiner les détails : la structure et les matériaux utilisés peuvent varier – et ils déterminent les facteurs les plus importants : le prix, les performances et la durabilité. Cela peut donc être optimisé.
Chaque cellule lithium-ion se compose d’une anode négative, généralement en graphite, et d’une cathode positive. Entre les deux, un électrolyte liquide conducteur d’ions transporte les ions lithium éponymes entre les électrodes pendant le processus de charge et de décharge.
Outre le lithium, la cathode est constituée de matériaux tels que le fer, le manganèse, le cobalt ou le nickel. Il fait l’objet de nombreuses activités de recherche, car sa composition exacte détermine en grande partie les performances, la durée de vie et les temps de charge.
L’image propre en souffre
Certaines matières premières de la technologie lithium-ion ont été critiquées. Les réserves mondiales de lithium sont théoriquement suffisantes, mais l’exploitation minière est complexe et, selon la méthode, peu respectueuse de l’environnement. Le cobalt, une matière première rare, serait en partie extrait par des enfants dans de petites mines en République démocratique du Congo. Tout cela porte atteinte à l’image propre de l’électromobilité.
Selon une prévision de McKinsey, la demande de batteries lithium-ion passera de 307 gigawattheures en 2022 à 5 843 gigawattheures d’ici 2030. Il pourrait devenir difficile de produire des matériaux durables en quantités suffisantes, selon l’étude. Il n’est pas étonnant que l’industrie automobile et ses équipementiers travaillent dur pour trouver des alternatives.
La batterie sodium-ion présentée par JAC est considérée comme ayant un avenir prometteur car le sodium est disponible en grande quantité dans les mers ou les dômes de sel. De plus, la batterie sodium-ion ne contient ni cobalt ni nickel et est plus facile à recycler. Leur gros inconvénient est la faible densité énergétique. «Cela rend la batterie sodium-ion particulièrement intéressante pour les modèles de voitures électriques moins chers», explique Weymann. L’échange est simple : prix contre performance.
Une autre source d’espoir est la batterie à semi-conducteurs. Au lieu d’électrolytes liquides, des solides conducteurs d’ions sont utilisés et une anode en lithium métallique peut être utilisée. Cela promet une densité énergétique plus élevée et donc une plus grande autonomie dans la voiture. Mais il y a quelques obstacles à surmonter : « Beaucoup de choses sont plus faciles lorsqu’il y a un liquide entre deux couches d’électrodes », explique Weymann. Le plus grand défi est la conductivité. Les ions doivent traverser rapidement le matériau solide. Il existe également des difficultés mécaniques et le lithium pur est difficile à manipuler en production car hautement inflammable.
Le recyclage devient une priorité
La technologie des batteries ne fonctionnera probablement pas entièrement sans produits chimiques et matières premières critiques pour le moment. « Afin de rendre les batteries de voiture plus durables et de couvrir à long terme les besoins en matières premières, nous devons créer une bonne infrastructure de recyclage », explique Weymann. BASF, l’un des principaux fabricants de matériaux cathodiques, se considère comme un pionnier dans ce domaine : en juin, l’entreprise chimique a ouvert à Schwarzheide un centre qui combine pour la première fois en Europe la production de matériaux pour batteries et le recyclage des batteries. « Nous souhaitons utiliser davantage de métaux recyclés dans le monde entier pour produire de nouveaux matériaux cathodiques », déclare Lydie Derebreu, vice-présidente senior chez BASF responsable du développement stratégique des matériaux et catalyseurs pour batteries.
À Schwarzheide, BASF transforme les vieilles batteries avec les déchets issus de la production de batteries en ce que l’on appelle la « masse noire », qui est ensuite nettoyée afin que les métaux puissent ensuite être séparés. « Les métaux recyclés ont une empreinte carbone environ 25 % inférieure à celle des métaux vierges », explique Derebreu.
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Ce qui est crucial dans la production de cathodes est « l’équilibre fin de la composition des mélanges métalliques », explique Derebreu. Selon les exigences de la voiture, un oxyde mixte de nickel, cobalt et aluminium (NCA) convient parfois, parfois un oxyde mixte de nickel, cobalt et manganèse (NCM). Derebreu voit trois segments de marché majeurs pour les véhicules électriques : le segment d’entrée de gamme avec les coûts de batterie les plus bas, le segment de volume pour un rapport équilibré entre performances et coûts de la batterie – et le segment de performance pour une autonomie ou des performances de batterie maximales.
BASF se concentre principalement sur le segment du volume et des performances ainsi que sur les matériaux pour la technologie lithium-ion, explique Derebreu. « Il s’agit désormais de développer la technologie par petits pas pour améliorer les performances. »
Les métaux sont équilibrés
Fondamentalement, plus il y a de nickel, plus la densité énergétique de la batterie est élevée. La teneur en nickel continuera d’augmenter dans les segments NCA et NCM afin d’atteindre les performances, la portée et les coûts requis, explique Derebreu. « Toutefois, la teneur en nickel a des limites. » BASF travaille également sur des matériaux à faible teneur en cobalt et à haute teneur en manganèse. Le cobalt stabilise la structure cristalline, mais il est rare, coûteux et peu durable. Le manganèse est facilement disponible et bon marché, mais moins puissant. Dans un laboratoire fondé avec l’Institut technologique de Karlsruhe (KIT), BASF travaille également sur les batteries à semi-conducteurs, la technologie sodium-ion et le phosphate de fer et de lithium-manganèse (LMFP), explique Derebreu.
La recherche accélérée sur les batteries montre également que l’Europe tente de rattraper le terrain perdu dans la course avec la Chine, la Corée du Sud et le Japon. En ce qui concerne les investissements dans la technologie des batteries, l’UE affirme qu’elle dépassera la Chine en 2022. Selon la Commission européenne, environ 180 milliards d’euros de fonds privés ont été injectés dans l’écosystème des batteries. «La production de batteries en Allemagne doit être considérée comme faisant partie de l’écosystème européen des batteries», déclare Weymann. Il sera crucial dans les prochaines années de développer des structures de fournisseurs, de créer des usines de batteries et des usines de recyclage, ainsi que de recruter des travailleurs qualifiés.
À Salzgitter, VW travaille sur la batterie automobile du futur et sa filiale Powerco construit l’une des nombreuses giga-usines dans le monde. La chancelière est également venue poser la première pierre l’année dernière et une « cellule verte » sortira ici des chaînes de production à partir de 2025. Selon VW, ce système sera installé sur jusqu’à 80 pour cent de tous les modèles du groupe.
En fonction des exigences du segment de marché concerné, différentes compositions chimiques cellulaires peuvent être utilisées – et ainsi atteindre des « niveaux de performance individuels ». La normalisation devrait encore réduire les coûts des batteries jusqu’à 50 pour cent. Parallèlement, Volkswagen s’implique dans la start-up américaine Quantumscape, qui étudie les batteries à semi-conducteurs. «Il n’y aura pas une seule batterie de voiture du futur», déclare Weymann. “Nous verrons plutôt un bouquet coloré de différentes technologies pour différentes classes de véhicules.”
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