La technologie actuelle : le lithium-ion
La technologie reine de la batterie, c’est le lithium-ion (Li-ion), que l’on retrouve dans l’essentiel des véhicules électriques et hybrides.
« Cette technologie a considérablement progressé ces dernières années en durée de vie, sécurité et coût, et la R&D internationale reste intense, rappelle Fabien Perdu, expert en batteries à l’institut Liten du CEA. Les batteries atteignent des densités de 260-280 Wh/kg, ce qui est un bon compromis, et on voit déjà des prototypes autour de 360 Wh/kg ». Si bien que le lithium-ion devrait conserver sa place pendant au moins la décennie qui vient, même si ses performances se rapprochent aujourd’hui de ses limites.
Plateforme de batteries pour véhicule électrique, logée au niveau du châssis (Stellantis-modèle STLA medium). © Stellantis
La check-list idéale de la batterie du futur
Il n’empêche, pour répondre aux besoins croissants d’une économie décarbonée, dépasser cette technologie semble incontournable. La batterie du futur aurait de meilleures densités d'énergie et de puissance*. Elle fonctionnerait aussi bien quand il fait trop chaud ou très froid, aurait une meilleure durée de vie, serait plus sûre (c’est-à-dire peu ou pas sujette au risque de départ de feu), peu chère, en particulier exempte de matériaux critiques (cobalt, nickel, lithium, graphite et manganèse), recyclable, moins polluante à fabriquer... En somme, la check-list idéale ! Avec en plus, pour la France et l’Europe, une souveraineté conservée sur toute la chaîne (matériaux, équipements et fabrication) afin de s’affranchir de la domination de la Chine, aujourd’hui massive. « Il n’est pas exclu que la technologie actuelle lithium-ion fasse aussi partie des batteries de demain si elle continue de s’améliorer », nuance Stanislas Pommeret, référent énergie à la Direction de la recherche fondamentale du CEA.
*Densité d’énergie : capacité à stocker de l’énergie. A volume et masse constants, une densité d’énergie élevée améliore l’autonomie des véhicules.
Densité de puissance : capacité à se charger rapidement.
La mobilité, moteur de la R&D
A l’avenir, plusieurs solutions technologiques coexisteront probablement pour satisfaire la diversité des usages et la montée en puissance des besoins. En tête de liste : la mobilité routière, qui accapare plus de 80 % du marché des batteries et reste en forte croissance, poussée par les exigences de décarbonation. « C’est le moteur de l’innovation sur les batteries, reconnaît Stanislas Pommeret. Deux variables prédominent : la quantité d’énergie embarquée, autrement dit l’autonomie du véhicule, et le coût ».
Aujourd’hui, les véhicules légers ne sont plus les seuls destinataires des batteries. Bus et poids lourds urbains équipés sillonnent également les villes. En Chine, entre 25 et 30 % des poids lourds vendus sont désormais électriques ! « Pour les très longues distances, cette solution est pertinente lorsque l’autonomie de la batterie est compatible avec le temps de conduite des chauffeurs, et les recharges avec leurs temps de pause », ajoute Aymeric Canton, chef de programme « stockage et solutions de flexibilité » à la Direction des énergies du CEA. En revanche, pour la propulsion des bateaux, trains et avions, la batterie seule ne sera pas la solution, les autonomies actuelles n’étant pas suffisantes pour couvrir de longs trajets. A moins d’embarquer des quantités importantes de batteries, une option inenvisageable pour des questions de poids et de coût. Sur des itinéraires courts et réguliers, comme c’est déjà le cas sur des trains hybrides caténaires-batteries ou dans des ferries, l’option redevient pertinente.
La percée des usages stationnaires
La batterie s’installe aussi dans le réseau électrique pour répondre aux pics de demande d’électricité et mieux gérer les variations de production des énergies renouvelables, notamment photovoltaïque. Cet usage de la batterie, dit « stationnaire », connaît un fort développement et devrait perdurer dans les années à venir.
« La pénétration des énergies renouvelables dans le réseau électrique est une grande vague qui atteint tous les pays, avec des problématiques de décalage entre la production photovoltaïque – maximale entre midi et 16 h – et la demande qui augmente en fin de journée, notamment l’hiver », précise Aymeric Canton. Equiper le réseau de moyens de stockage est par conséquent indispensable, parmi lesquels les batteries, qui deviennent compétitives en raison de la baisse considérable de leur prix et de l’allongement de leur autonomie, passée de 2 heures il y a encore 3 ans, à 4, voire 8 heures. « De quoi gérer les intermittences à l’échelle de la journée, mais pas les fluctuations saisonnières, lorsque la production solaire est maximale l’été alors que la demande l’est en hiver », note cependant Fabien Perdu.
Les data centers, gourmands en électricité s’équipent eux aussi de batteries en remplacement des groupes diesel de secours, pour pallier les pannes de réseau, lisser les pics de consommation et « s’effacer » en cas de surcharge du réseau – autrement dit restreindre momentanément leur consommation sous un seuil prédéfini – comme l’envisagent les fournisseurs d’électricité.
Un mix de solutions technologiques
Imaginer quels seraient les usages des batteries dans un futur proche reste évidemment un exercice difficile, comme l’illustre Fabien Perdu : « si on regarde le volume total de besoin en stockage journalier pour le stationnaire, les batteries des voitures suffisent ! »
Dans ce modèle dit vehicule to grid, le réseau récupère de l’électricité dans les batteries des voitures garées et branchées, par exemple la nuit. S’il devenait efficace, généralisé et accepté, le besoin de batteries pour l’usage stationnaire disparaîtrait. « Il y a encore un fort potentiel d’optimisation en travaillant sur les usages », poursuit-il.
Techniquement, à quoi ressemblera la batterie du futur ? « Si nous voulons dépasser les concepts actuels et aller vers des modèles davantage en rupture, il faut envisager d’autres chimies », avance Aymeric Canton. Plusieurs voies sont explorées. Des chimies moins chères, sans matériaux critiques et s’appuyant sur des ressources abondantes, reviennent sur le devant de la scène, tels les concepts sodium-ion ou potassium-ion. La batterie tout-solide, à l’électrolyte solide au lieu de liquide comme c’est le cas dans les batteries actuelles, figure aussi en bonne place dans les projets de R&D en raison de sa grande performance espérée. Bien d’autres concepts sont testés, dont on ne fera pas la liste ici, parmi lesquels des batteries lithium-air, organiques, aux ions divalents, etc. Si la chimie reste le cœur de la batterie, l’innovation passe aussi par l’optimisation des packs, qui deviendraient plus modulaires, plus démontables, plus réparables et faciles à recycler, ainsi que par l’amélioration des procédés de fabrication, moins énergivores et utilisant moins de solvants.
Collaborations industrielles
La recherche française est bien lancée et s’est organisée, notamment via le PEPR Batteries copiloté par le CEA et le CNRS, et dans une moindre mesure, via le PEPR Recyclage, recyclabilité et réutilisation des matières. « Au CEA, l’essentiel de notre R&D se concentre évidemment sur l’amélioration continue des technologies actuelles à lithium-ion, en soutien aux industriels. Mais nous pensons aussi à l’après-demain, en travaillant sur des concepts en rupture avec l’existant, adaptés aux besoins des marchés du transport et du stationnaire », résume Aymeric Canton.
Matériaux, cellules, sécurité, procédés de fabrication, fin de vie… D’un projet de R&D à l’autre, au CEA, toute la chaîne de valeur est repensée. Comme toujours, les industriels ne sont jamais loin. Quelques grands noms de la batterie se sont associés à l’organisme à travers des collaborations, tels que Saft, une filiale de TotalEnergies, Stellantis, Umicore (groupe franco-belge), Syensqo (ex-Solvay), Orano ou encore le Taïwanais Prologium. Ce dernier a récemment installé en France (à Paris-Saclay) son premier centre de R&D à l’étranger, et entame la construction d’une gigafactory à Dunkerque.
Une quête de souveraineté
Evidemment, dans cette quête de la batterie de demain, il faut compter avec la Chine, qui fournit 90 % du marché.
Dans ce contexte, les entreprises françaises et européennes ont-elles encore une chance de se faire une place ? « C’est un marché en croissance, très dynamique, marqué par des accords qui se nouent et se dénouent. Les opportunités sont nombreuses. Donc, continuons à aller de l'avant », lance Sébastien Patoux, chef du Service des technologies batteries à l’institut CEA-Liten.
D’aucuns diront que les giga-usines françaises , construites pour produire du lithium-ion et à peine sorties de terre, ne feront pas de sitôt la bascule vers d’autres procédés, vu les investissements colossaux exigés. « Réussir à produire des batteries sans défaut est très complexe, répond Fabien Perdu. Toute l’expérience industrielle acquise sur nos gigafactories lithium-ion servira à la seconde génération d’usines, dédiée aux technologies futures ». Et Stanislas Pommeret de conclure : « Pour une gigafactory qui se monte en Europe, 10 éclosent en Chine, voire plus. Le rapport de force est évidemment très inégal, y compris en nombre de chercheurs impliqués. Mais si on ne veut pas disparaître sous la vague chinoise, il ne faut pas ralentir, il faut accélérer ».
Focus sur la batterie tout solide
C’est l’un des concepts prometteurs sur lequel travaillent les équipes du CEA. Objectifs : lever des verrous technologiques et gagner en maturité, pour réussir à l’industrialiser, avant de la déployer.
Une densité d’énergie inégalée, autrement dit une autonomie plus grande pour les véhicules électriques, et une sécurité renforcée, voilà ce que promet la batterie tout solide. « Avec elle, atteindre 400, voire 500 Wh/kg semble envisageable industriellement », avance Sébastien Patoux, chef du Service des technologies batteries à l’institut CEA-Liten. Ceci grâce à une combinaison gagnante : son électrode négative en lithium métal au lieu du classique graphite, et un électrolyte solide, évacuant également la toxicité et l’inflammabilité des versions liquides.
Banc d’enduction utilisé pour la réalisation d’électrodes de batterie, voire d’électrolytes, en salle anhydre. © Sébastien Veyre/CEA
Un concept simple sur le papier et assez ancien, datant des années 1970-1980, mais qui cache en réalité de nombreux défis, en partie relevés.
Le premier d’entre eux est d’arriver à faire déplacer les ions lithium dans l’électrolyte solide aussi bien que s’ils évoluaient dans un liquide. Comment ? En jouant sur les textures et le choix du matériau. Il existe en réalité tout un continuum de textures qui vont du mi-liquide, comme les gels polymères, au tout solide, tout comme il existe plusieurs familles de matériaux : polymères, oxydes (matériaux réfractaires rappelant la consistance des briques) et sulfures. « Ces derniers sont la solution la plus viable industriellement, assure l’expert, celle sur laquelle les principaux leaders asiatiques sont les plus avancés. Au CEA, nous y travaillons depuis plus de 10 ans, après une première collaboration avec Panasonic. En faisant le choix des sulfures, le verrou de la bonne conductivité des ions lithium dans l’électrolyte semble aujourd’hui levé ».
Recherche sur les batteries tout-solide. Mise en forme de membranes électrolytes. © Jessy Penelon/CEA
Le défi de l’assemblage
Le second défi vient de l’anode en lithium métal, ultralégère, qui confère à la batterie sa densité d’énergie boostée, mais pose de sérieux problèmes de sécurité et de durée de vie. Le lithium métal a en effet une fâcheuse tendance à développer au fil du temps des excroissances, appelées dendrites, qui se rapprochent dangereusement de l’autre électrode, jusqu’à provoquer des courts-circuits et des départs de feu. Problème que le passage à un électrolyte solide, à même de contenir la croissance des dendrites, devrait à terme résoudre.
L’étape ultime, qui nécessite davantage de R&D, serait d’opter pour une cathode en soufre. Auquel cas, la densité d’énergie monterait d’un léger cran, tout en réduisant l’emploi de matériaux critiques, et donc le coût.
Reste un dernier verrou à lever, celui du montage de la cellule de la batterie, sur lequel travaille le monde entier. Si combler tous les espaces vides est aisé avec un électrolyte liquide qui s’insère partout, l’histoire est tout autre avec un solide, a fortiori pas toujours en parfait contact avec les électrodes. La solution industrielle consiste en une étape de forte compression. Mais là encore, la recherche doit continuer. Il y va de l’efficacité de la cellule, mais aussi de sa sécurité. « Nous cherchons comment comprimer le mieux possible en appliquant une force minimale, en jouant sur la granulométrie et la morphologie des matériaux, et sur le procédé de compression », précise Sébastien Patoux.
En attendant que la technologie tout solide soit suffisamment mature pour être industrialisée à grande échelle pas avant 2030, voire 2035 – de premières solutions intermédiaires pourraient être commercialisées, à base de polymères plus ou moins gélifiés.