Les batteries pour la mobilité de demain

Plus d’efficience et de durabilité grâce aux nouvelles batteries

Peu importent la confiance que l’on a envers les voitures électriques et la crédibilité accordée aux études. Une chose est sûre: dans le monde entier, on travaille à l’élaboration de nouvelles batteries plus efficientes et durables.

Les voitures électriques contiennent, selon le modèle, des centaines de cellules de batteries distinctes. Chacune est logée dans une membrane puis connectée aux autres cellules au moyen de raccords et de branchements jusqu’à former des agglomérats, lesquels sont surveillés par des capteurs et reliés à la voiture. La batterie représente l’élément le plus onéreux d’une voiture électrique: par exemple, elle représente le tiers du prix d’une E-Smart. Le poids des batteries n'est pas non plus anodin: pour stocker des quantités d'énergie de 40 à 60 kWh, comme l'exigent les voitures électriques de grande taille, il faut installer des modules de batteries pesant entre 320 et 480 kg.

L’ensemble des acteurs du secteur travaillent sur ces données-clés en vue de les optimiser et d’améliorer l’autonomie ainsi que la durée de la recharge aux bornes publiques de recharge. Il existe différentes approches, lesquelles répondent à des problèmes distincts. Certains développements visent à éliminer les électrolytes liquides, alors que d'autres se concentrent sur les matières premières alternatives. Tous ambitionnent d’optimiser la capacité, l’autonomie, le poids et la sécurité.

Batteries bipolaires: économiser du poids

La batterie dite «bipolaire» constitue un bon exemple d’approche innovante. Le Fraunhofer IKTS de Dresde et ses partenaires ont réussi à appliquer le principe bipolaire à la batterie au lithium, sous le nom d’Embatt. Ce principe bien connu est dérivé de la pile à combustible. Les cellules des batteries bipolaires ne sont plus alignées les unes à côté des autres, mais superposées sur une large surface. Il est ainsi possible de se passer des membranes et des contacts électriques qui seraient autrement nécessaires. De la sorte, on peut intégrer davantage de cellules de batteries dans une voiture. On obtient donc une capacité supérieure pour le même poids. De plus, les électrodes de la batterie sont conçues de manière à libérer l’énergie et à la stocker à nouveau rapidement. À moyen terme, le nouveau concept de packaging devrait permettre d’accroître l’autonomie des voitures électriques jusqu’à 1000 kilomètres. 

Plus de sécurité grâce aux batteries à l’état solide

En collaboration avec l’Institut Fraunhofer de recherche sur le silicate à Würzburg, l’Empa à Dübendorf a lancé en janvier 2019 un projet de recherche de trois ans. Le but est d’élaborer les bases d’une nouvelle génération de batteries pour voitures électriques. Contrairement aux cellules lithium-ion actuellement utilisées, celles-ci ne seront composées que de solides et ne contiendront plus d'électrolytes liquides inflammables. Elles offrent donc une sécurité de fonctionnement nettement améliorée, mais aussi des avantages en termes de taille et de poids, car un encapsulage de sécurité moins complexe est nécessaire. L'Empa concentre ses efforts sur le développement d'électrolytes solides. Le Fraunhofer ISC apporte son savoir-faire au développement de procédés et à la production de cellules de batteries, et réalise aussi les premiers prototypes.

Electromobilité et matières premières

La fabrication de batteries lithium-ion nécessite du cobalt, un minerai provenant principalement du Congo, où l’exploitation engendre des nuisances écologiques et sociales. De nombreuses recherches sont donc actuellement effectuées afin de développer des procédés de fabrication de nouvelles batteries ménageant les ressources et l’environnement. L’objectif est de remplacer le cobalt dans les batteries par le nickel, qui est meilleur marché et offre une capacité supérieure au cobalt, mais dont la durée de vie est jusqu’ici plus réduite. Une autre alternative serait le fer, bon marché et disponible partout, mais dont la capacité est inférieure d’un tiers au cobalt.  

Matériaux de base meilleur marché 

On voit également émerger les batteries magnésium/soufre, cela pour deux raisons principales: les matières premières pour les électrodes sont disponibles en suffisance et bon marché. D’autre part, cette technique permet théoriquement de stocker deux fois plus d’énergie qu’avec les batteries lithium-ion. Dans ce domaine, on se trouve pourtant encore au stade du développement initial. Il manque avant tout les électrolytes adaptés au magnésium.

Des recherches sont également effectuées sur la combinaison lithium/soufre. Le grand atout réside dans une légèreté accrue par rapport à aujourd’hui, qui conviendrait par exemple aux drones. Le soufre est cependant difficile à activer. Jusqu’ici, les chercheurs ne sont pas parvenus dans la pratique à atteindre les valeurs théoriquement possibles. 

Une propre production en Europe

Il s’agit donc de modifier non seulement la composition des batteries mais aussi la production, laquelle réside en grande partie entre les mains d'entreprises asiatiques qui oeuvrent depuis des années à s’assurer les droits miniers sur les matières premières indispensables. Les constructeurs automobiles européens, ayant tardé à investir dans la production de cellules de batteries électriques, accusent maintenant un net retard par rapport à la concurrence. Ce retard doit être comblé avec le soutien de la Commission européenne, laquelle s’engage vigoureusement en faveur de l’accroissement des capacités de production de cellules au sein de l’European Battery Alliance.

La Suisse s’implique également dans l’un de ces projets, à savoir l’initiative de recherche www.battery2030.eu. Une équipe de l’Empa coordonne le projet SeNSE, qui est soutenu par la Commission européenne par une enveloppe de plus de 10 millions d’euros. L’objectif de ces activités de recherche est de développer «la batterie lithium-ion de prochaine génération». La société Northvolt y contribue également, laquelle est le fer de lance de la production de batteries européenne. L’entreprise suédoise entend mettre en service une première «Gigafactory» en Suède en 2021, avant de lancer d’ici à 2023 un autre site de production en Allemagne, en partenariat avec Volkswagen. Ainsi, l’Europe franchit une étape importante en vue d’une production de batteries indépendante et durable.

L’électro­mobilité poursuit sa marche en avant

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