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Des batteries au lithium pour la voiture du futur ?

Budget : 400 millions d'euros sur quatre ans, décidé par le gouvernement. Objectif : la mise au point de véhicules « décarbonés, ayant le plus faible niveau possible d'émission de CO2 ». En pratique, des voitures hybrides rechargeables ou 100% électriques. L'occasion pour nous de faire le point sur les pistes de recherche actuellement explorées par l'industrie automobile dans le domaine très attendu du véhicule électrique.

Des voitures toujours plus électriques

Le moteur hybride de la Toyota Prius : l'avant lithium... La Toyota Prius restera comme la voiture qui a amorcé le virage de la voiture électrique. Sa batterie de 50 Kg au NiMH (Nickel Métal Hydrure), une technologie éprouvée, lui donne une autonomie de 2 Km. Pour aller au-delà, l'industrie compte sur la batterie au lithium. © Toyota

La plus célèbre des voitures électriques, la Toyota Prius, est une « hybride » tout court, et donc, sous entendu, « non rechargeable ». Cela signifie que c'est un moteur électrique qui assure les démarrages, et même plus, mais sa batterie n'est chargée que grâce à son moteur traditionnel, à combustion interne, en brûlant de l'essence. La Prius n'est pas faite pour effectuer des trajets à l'électricité seule, sa batterie ne permettrait de parcourir que 2 km. Pourtant, elle comporte une batterie d'environ 50 kg. Mais elle est du type Ni-MH (Nickel-Métal Hydrure), une technologie très mûre, ce qui est une bonne chose, mais dont la « densité d'énergie » reste modérée. S'il fallait compter sur une batterie de ce type pour assurer des dizaines ou centaines de kilomètres d'autonomie, elle pèserait un poids considérable.

Or on attend l'arrivée imminente de véhicules « hybrides rechargeables », que l'on pourra brancher sur une prise le soir et retrouver rechargées le lendemain. Leur batterie plus conséquente permettra de rouler à l'électricité pendant quelques dizaines de km. On parle de 60 km pour la future Chevrolet Volt. Au-delà, le moteur thermique prend le relais. Un tel véhicule pourra effectuer des trajets quotidiens, domicile – travail, à l'électricité, et ne rouler à l'essence que pour les vacances. Enfin, des voitures tout électriques sont également annoncées. Et l'on parle d'autonomies de plusieurs centaines de km. Ce qui suppose des batteries encore plus musclées.

Vous avez dit « voiture propre » ?

Rappelons, à propos de CO2, que si un moteur électrique n'en produit pas, on ne sait pas produire de l'électricité sans en émettre un peu… ou beaucoup, selon la forme d'énergie primaire utilisée. Dans le cas d'un véhicule hybride comme la Prius, la seule source d'énergie est son moteur à combustion interne, qui brûle de l'essence. Si cette voiture émet pourtant moins de CO2 qu'une berline traditionnelle équivalente, c'est uniquement parce que l'hybridation permet de mieux rentabiliser ce moteur. Les voitures électriques rechargeables sur le secteur reportent en amont, sur le réseau électrique, leurs émissions de CO2. Tout dépend donc du type de centrales électriques produisant l'électricité dans tel ou tel pays. L'énergie nucléaire, qui est à l'origine de près de 80% de l'électricité consommée en France, produit certes très peu de CO2, mais pose comme chacun sait des problèmes d'une autre nature.

Les exigences de l'industrie automobile

De nombreuses pistes explorées Prototypes de batteries au lithium de laboratoire maintenus pendant leur utilisation à température contrôlée dans une armoire thermostatée. © François JANNIN / ICMCB (Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux) - CNRS

Voilà pourquoi l'industrie automobile se prépare à l'avènement d'un nouveau type de batterie, dite au lithium, qui présente l'avantage d'une densité d'énergie plus favorable. Et qui de plus supporte mieux les cycles partiels (recharge sans attendre la décharge complète). Mais derrière le nom du plus léger des métaux, se cache en fait une famille nombreuse technologique. Commercialisée pour la première fois par Sony en 1991, la batterie au lithium-ion équipe aujourd'hui ordinateurs et téléphones portables. Depuis, un grand nombre de variations ont été proposées, et parmi elles quelques solutions crédibles pour l'industrie automobile.

Les paramètres définissant ce que l'on attend d'une batterie sont nombreux. La « densité d'énergie » dicte l'encombrement de la batterie capable d'assurer une autonomie raisonnable. On distingue la densité d'énergie massique, mesurée en Wh/kg (wattheure par kilogramme), et la densité d'énergie volumique (Wh/l). Ce sont des critères essentiels pour une automobile, dans la mesure où aucune technologie de batterie n'arrive aujourd'hui à la cheville de la densité d'énergie représentée par les carburants liquides. Mais il y a aussi la densité de puissance (mesurée en W/kg et W/l) : une automobile a besoin de pouvoir mobiliser instantanément une puissance importante au démarrage ou pour dépasser. Le coût par Wh (et aussi par W) est bien entendu une donnée fondamentale. On recherche de plus une batterie qui se charge rapidement et conserve longtemps cette charge. Enfin, on aimerait qu'une batterie dure longtemps, si possible autant que la voiture : on souhaite donc qu'elle supporte un ou plusieurs milliers de cycles et qu'elle ne vieillisse pas prématurément. Ces caractéristiques dépendent d'une qualité plus générale : sa stabilité. Une batterie est un assemblage complexe, soumis à des contraintes qui peuvent modifier durablement sa structure. Ce qui peut influer sérieusement sur la durée de vie mais aussi représenter un danger. Or, l'automobile est très exigeante en matière de sécurité. Pas question que les batteries grimpent inconsidérément en température, qu'elles prennent feu, explosent ou dégagent des produits toxiques, y compris en cas d'accident.

Les batteries au lithium, une famille nombreuse

Sécurité : deux approches opposées

Sécurité routière © DR

Chaque « recette » de batterie au lithium comporte ses avantages et ses soucis. Il est courant qu'un progrès sur la densité ou le coût se fasse au prix d'un problème de stabilité. La structure se détériore parfois dès les premiers cycles charge-décharge. Ou bien la température grimpe dangereusement. Bien entendu, les chercheurs cherchent, et trouvent souvent, des parades. Ils ajoutent, par exemple, des ingrédients qui compensent ou atténuent les problèmes rencontrés. Et finissent éventuellement par obtenir une stabilité plus acceptable. Mais partant de là, l'industrie hésite entre deux manières d'obtenir le degré de sécurité souhaitable pour une automobile. Suivant l'approche « sécurité active », certaines batteries au lithium sont bardées de toute une électronique de contrôle, coûteuse, pesante et encombrante, sans laquelle elles risqueraient de ne pas durer bien longtemps, voire de prendre feu. Du coup, leur densité d'énergie, initialement élevée, s'en trouve ramenée dans la pratique à des valeurs moins impressionnantes. De même le coût initial par Wh est augmenté. Voilà pourquoi une autre approche dite de « sécurité intrinsèque » se développe aujourd'hui, qui consiste à choisir une technologie de batterie avec éventuellement une moindre densité d'énergie, mais offrant d'entrée de jeu une sécurité basée sur la stabilité naturelle de la technologie. C'est le cas par exemple du phosphate de fer, la technologie la plus prometteuse à cet égard actuellement.

Phosphate de fer : intrinsèquement stable, et en plus économique

À quand les premières voitures au lithium ?

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