Batteries solides : Une nouvelle ère pour la mobilité électrique

Les batteries lithium-ion utilisées massivement aujourd’hui sont mieux adaptées aux smartphones qu’à l’automobile. Les ingénieurs planchent donc sur une nouvelle génération de batteries dites solides qui ouvriront l'ère 2.0 de la mobilité électrique. Voici tout ce qu'il faut savoir sur cette nouvelle génération d'accumulateurs en 5 questions.

par Maxime Fontanier 26 Oct 2018 10:00

Concept Fisker EMotion à batteries solides
Concept Fisker EMotion à batteries solides

Le marché du véhicule électrique peine à se développer malgré une offre de plus en plus étoffée. Si les modèles commercialisés actuellement disposent d’une autonomie suffisante pour effectuer des trajets quotidiens, ils sont assez lourds, coûteux et se prêtent plus difficilement à un usage intensif en utilisation sportive ou sur de longs trajets. Le réseau de bornes de recharge publiques n’est pas assez étendu et se révèle souvent complexe à utiliser par manque de coordination entre les entreprises qui les exploitent.

Seuls les propriétaires de Tesla peuvent aujourd’hui voyager en voiture électrique aussi facilement qu’avec voiture thermique grâce à un réseau de bornes ultra rapides (Superchargers) qui couvrent les principaux axes autoroutiers en Europe et aux États-Unis. Mais pour garantir un rayon d’action oscillant entre 350 et 500 km, les Tesla Model S et Model X frisent les 100 000 euros et dépassent les 2 tonnes.

La Tesla Model 3 est plus accessible et peut atteindre 400 km sans problème, mais son tarif de plus de 40 000 euros environ reste conséquent. L’automobile électrique figure donc plus souvent comme un deuxième véhicule dans les foyers disposant d’un garage pour les recharger à domicile. L’arrivée d’une nouvelle génération de batteries à électrolyte solide devrait changer la donne. Découverte dès 1839 par Michael Faraday, la batterie solide a été étudiée dans les années 50 et 90 mais a trouvé un nouvel élan en 2013 lorsque des chercheurs de l’université du Colorado ont développé la première batterie lithium-ion à l’état solide.

Tesla Model S 100D : quel bilan après 1 500 km ?
Différence entre des batteries au lithium-ion liquide et solide. Schéma Toyota
Différence entre des batteries au lithium-ion liquide et solide. Schéma Toyota

Qu’est-ce qu’une batterie solide ?

Une batterie lithium-ion se compose de deux électrodes baptisées anode (-) et cathode (+). Ces électrodes baignent dans un liquide électrolyte qui va leur permettre de s’échanger des ions. Ce sont les allers-retours des ions entre les deux électrodes qui vont créer un courant électrique. Dans une batterie solide, le liquide conducteur est remplacé par un élément solide dont le pouvoir conducteur est aussi efficace. Pour caricaturer, on pourrait dire que dans une batterie solide les ions empruntent un pont au lieu de traverser une rivière.

Coupe du concept Fisker Emotion
Coupe du concept Fisker Emotion

Quels sont les avantages d’une batterie solide ?

La batterie électrolyte solide présente de nombreux avantages à commencer par sa résistance à l’échauffement et donc sa sécurité d’utilisation. L’électrolyte liquide des batteries actuelles peut former des agrégats qui vont générer un court-circuit entre les électrodes et exploser. Pour éviter ce phénomène, un BMS (Battery Management System) contrôle en continue le niveau de charge de chaque cellule. Certaines voitures comme la Tesla Model S ajoutent un système de refroidissement liquide pour maintenir une température de fonctionnement idéale même en cas de forte sollicitation.

Dépourvue de ce liquide inflammable, la batterie solide est à la fois plus légère dans sa conception initiale, et elle ne nécessite pas de système de refroidissement aussi évolué. Selon le rapport publié par l’université du Colorado, une batterie solide peut atteindre un densité énergétique de 600 Wh/kg à 1000 Wh/l contre 200 Wh/kg à 300 Wh/l pour une batterie au lithium-ion liquide.

Pour faire simple, une batterie solide offre trois fois plus d’autonomie sans nécessiter de lourds systèmes de refroidissement. Ces batteries solides résistent mieux au froid comme à la chaleur (-20 à 100 degrés), et elles acceptent de fortes charges pour récupérer de l’énergie beaucoup plus rapidement. Une recharge à 80% devient moins longue qu’un plein d’essence. En outre, la fabrication de ces batteries solides nécessite moins de composants toxiques.

Recharge rapide d'une Tesla Model X sur un Supercharger
Recharge rapide d'une Tesla Model X sur un Supercharger

Quels sont les inconvénients des batteries solides ?

Sur le papier la batterie solide est idéale et elle répond parfaitement aux attentes des véhicules électriques. Mais elle reste pour l’instant cantonnée dans les laboratoires. Comme toute nouvelle technologie, les coûts de fabrication restent très élevés et inappropriés pour une utilisation à grande échelle aujourd’hui. La difficulté majeure est de trouver un matériau conducteur solide aussi efficace qu’un bain liquide électrolyte et pouvant résister à une forte pression entre les deux électrodes.

En 2017, John Goodenough, co-inventeur des batteries au Lithium-ion à l’université d’Oxford, a dévoilé une batterie à l’état solide utilisant un verre spécial en guise de matériau conducteur, et dont l’anode en lithium peut être remplacée par du sodium ou du potassium. L’université du Michigan a quant à elle développé une batterie solide au lithium-métal dont l’électrolyte se compose de céramique.

Batterie au lithium-ion de chez Panasonic
Batterie au lithium-ion de chez Panasonic

Qui investit dans la technologie des batteries solides ?

La grande majorité des constructeurs automobiles réalisent des partenariats avec des entreprises spécialisées dans la conception et la production de batteries. Si Henrik Fisker a fait parler de lui en dévoilant un concept-car à batterie solide, il compte lui aussi sous-traiter la production de ces batteries à la société américaine Sakti3 rachetée en 2015 par Dyson.

Même Tesla qui possède pourtant l’une des plus grandes usines de production de batteries au lithium-ion travaille étroitement avec Panasonic. En effet, les entreprises japonaises figurent parmi les leaders de la production et la conception de batteries depuis les années 90. Pour accélérer la recherche sur les batteries solides, le gouvernement japonais a créé une alliance en mai 2018 regroupant Panasonic, GS Yuasa (spécialiste japonais des batteries au plomb), Asahi Kasei (industrie chimique), Toray Industrie (spécialiste de la fibre de carbone), Honda, Nissan et Toyota. Mais les japonais ne sont pas les seuls dans la course.

En juin 2018, Volkswagen a investi 100 millions de dollars dans l’entreprise américaine QuantumScape. Une autre start-up américaine Solid Power a reçu un important soutien financier de BMW, Hyundai et Samsung. Un groupe de recherche Européen a également vu le jour en février 2018 à l’initiative de la marque française Saft. La filiale du groupe Total, s’est associée à l’entreprise belge Solvay (groupe Belge de chimie) et aux groupes allemands Manz et Siemens pour participer à cette course technologique. L’empire du milieu est lui aussi sur les rangs. Sur les quatre premiers mois de l’année 2018, les ventes de voitures électrique sur le marché chinois ont doublé. Les marques BYD et CATL figurent désormais parmi les plus gros producteurs de batteries mondiaux et comptent mettre rapidement fin à l’hégémonie du Japon.

 

Concept Fisker EMotion
Concept Fisker EMotion

Quand cette technologie sera-t-elle produite en série ?

En 2017, Henrik Fisker annonçait la production de véhicules à batteries solides dès 2020 lors de la présentation du concept EMotion. Mais entre temps, le charismatique patron de Fisker Automotive a revu ses prévisions. Selon Toyota, il ne faut pas s’attendre à voir ce type de technologie dans les voitures de série avant 2025.

De quoi laisser encore un peu de temps aux constructeurs traditionnels pour effectuer leur transition. Cela permettra aussi de réduire son coût et d’améliorer la technologie du lithium-ion liquide lancée en 1993 par Sony.


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