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Un principe immuable, des composants différents
Une batterie est un accumulateur qui stocke de l’énergie sous forme d’énergie chimique, avant de la transformer et de la libérer sous forme d’énergie électrique pour mettre la voiture en mouvement. Cette énergie est stockée dans des cellules composées d’une électrode positive (cathode) et d’une électrode négative (anode) séparées l’une de l’autre et plongées dans un électrolyte liquide.
La nature des cellules contenues dans une batterie a évolué au fil du temps. La pile Volta mise au point au tout début du XIXe siècle, formée de disques de cuivre et de zinc, était trop volumineuse pour pouvoir être utilisée dans le domaine des transports. La batterie au plomb-acide inventée par Gaston Planté en 1859 est la première à avoir été utilisée dans des véhicules électriques. Elle a cédé la place dans les années 1950 à la batterie au nickel-cadmium, qui offrait une meilleure densité énergétique. Cette batterie a elle-même été remplacée dans les années 1990 par la batterie au nickel-métal-hydrure, plus performante et moins nocive pour l’environnement, qui a équipé les véhicules électriques et les hybrides fabriqués durant cette décennie. La batterie au lithium-ion, plus légère et dotée d’une plus forte densité énergétique, l’a détrônée au début des années 2000. Elle est aussi la première batterie dépourvue d’effet de mémoire, c’est-à-dire de perte de capacité à fournir toute son énergie pour cause de cycles de charge partiels répétés.
Les batteries d’aujourd’hui et de demain
Les performances de la batterie au lithium-ion n’ont cessé d’être améliorées au fil des années, faisant de celle-ci une technologie de référence qui a favorisé l’essor des véhicules électriques. Actuellement, le temps nécessaire pour passer de 20 % à 80 % de charge va de 30 minutes à 8h selon le dispositif utilisé (prise renforcée de 3,7 kW, borne de recharge de 7 kW, de 22 kW ou de haute puissance). Une batterie au lithium-ion bien entretenue et utilisée correctement peut avoir une durée de vie de 15 ans ou plus. Son coût est d’environ 140 euros par kWh de capacité de stockage, soit 8 400 euros pour une batterie de 60 kWh.
La recherche s’intéresse aujourd’hui à de nouvelles générations de batteries offrant davantage d’autonomie et de sécurité, mais aussi plus durables au plan environnemental. L’industriel chinois CATL a annoncé la commercialisation prochaine d’une batterie dotée d’une autonomie de 1 000 km, et pouvant être rechargée en seulement 10 minutes. Par ailleurs, la batterie solide, basée sur des électrolytes solides à la place des électrolytes liquides, laisse entrevoir des perspectives très prometteuses en termes d’autonomie. Cette technologie doit cependant gagner en maturité pour pouvoir être produite en masse. Elle devra être associée à l’implantation de bornes délivrant une puissance suffisante pour leur recharge. D’autres technologies sont en phase de R&D, comme la batterie au lithium-soufre, la batterie au lithium-air, la batterie au sodium-ion ou encore la batterie au graphène. Actuellement à l’état de prototypes, ces batteries n’arriveront pas sur le marché avant un certain temps, mais sont la preuve du dynamisme de la recherche dans ce domaine.
Les batteries sont constituées composants minéraux tels que le lithium, le nickel, le cobalt, le manganèse et le graphite. La hausse de la demande mondiale de voitures électriques pourrait générer des tensions sur la disponibilité de certains de ces matériaux.
La provenance généralement lointaine de ces matériaux, les impacts environnementaux et sociaux de leur extraction, la pression induite par une demande toujours plus forte, impliquent de trouver des matériaux alternatifs, mais aussi de développer le démantèlement et le recyclage des batteries. Si les filières de recyclage du plomb, du nickel-cadmium et du nickel métal hydrure sont aujourd’hui maîtrisées, le lithium fait partie d’une filière encore jeune pour laquelle le recyclage n’est pas encore suffisamment développé. Cependant, les industriels portent des projets d’unités de recyclage, dont certains dans les Hauts-de-France. Une fois opérationnelles, ces infrastructures permettront de donner une seconde vie aux matériaux composant les batteries, et donc d’éviter pour partie les émissions de CO2 induites par leur extraction et par leur acheminement depuis des pays lointains.
La fabrication d’une batterie pour voiture électrique est un processus au long cours jalonné de différentes étapes.
Tout commence par une phase de R&D, qui permet d’améliorer les technologies existantes et d’en développer de nouvelles afin d’augmenter la densité énergétique des batteries, réduire leur coût et prolonger leur durée de vie. Vient ensuite la conception des batteries, puis une phase de test afin de vérifier que celles-ci répondent aux normes de performance et de sécurité. Cette phase implique des chercheurs en matériaux et des ingénieurs.
Une fois extraits et raffinés, les matériaux utilisés dans les batteries sont acheminés dans les gigafactories, où des chimistes et des ingénieurs les transforment en composants actifs qui sont assemblés en cellules. Ces cellules sont ensuite regroupées en modules par des opérateurs de production, puis des techniciens assemblent ces modules pour former la batterie. Chaque batterie est testée afin de s’assurer qu’elle répond aux normes de performance et de sécurité.
Une fois intégrée dans un véhicule, elle est entretenue tout au long de sa durée de vie par des techniciens qui effectuent des opérations de maintenance préventive et corrective, conformément aux recommandations du fabricant.
Une fois la batterie arrivée en fin de vie, elle est collectée, démontée et recyclée afin d’en récupérer et d’en réutiliser le maximum de matériaux.
Par rapport aux générations précédentes, les voitures électriques qui circulent aujourd’hui sont appréciées pour leurs meilleures performances en termes d’autonomie et de temps de charge. Elles sont généralement pourvues de batteries lithium-ion. Dans ce type de batteries, l’énergie est stockée sous forme d’énergie chimique dans des cellules composées d’une électrode positive (cathode) et d’une électrode négative (anode) séparées l’une de l’autre et plongées dans un électrolyte liquide. Apparues au début des années 2000, les batteries lithium-ion offrent l’avantage d’une densité énergétique élevée et d’un faible poids. Cependant, la nécessité d’améliorer leur autonomie a amené à multiplier le nombre de cellules qui les composent, entraînant une hausse de leur volume et de leur poids, qui atteignent aujourd’hui une certaine limite.
La recherche se poursuit en direction d’autres solutions technologiques, dont la batterie solide, encore à l’essai, est l’une des plus prometteuses. Dans ce type de batterie, l’électrolyte utilisé est un composé solide, qui simplifie la réaction chimique créant le courant nécessaire au fonctionnement du véhicule. La batterie solide permettra de stocker davantage d’énergie et aura une durée de vie supérieure à celle des batteries classiques, tout en étant plus compacte et en garantissant une plus grande sécurité. La batterie semi-solide est une variante utilisant un électrolyte mi-solide, mi-liquide, et offrant à la fois la stabilité d’un électrolyte solide et la conductivité ionique d’un électrolyte liquide. Ces deux dernières solutions permettent d’utiliser moins de composants, avec à la clé un moindre impact environnemental.
Les batteries existantes offrent différentes puissances, liées au type de véhicule auxquelles elles sont destinées. Cette capacité exprimée kilowatt-heures (kWh) désigne la quantité d’énergie que chaque modèle de batterie peut stocker et fournir, et dépend de la tension et du courant de la batterie. Les véhicules électriques actuels ont une capacité de 20 à 100 kWh. Il existe des batteries plus puissantes permettant des accélérations plus importantes et des vitesses de pointe plus élevées. Certains véhicules tels que les voitures de sport sont équipés de batteries de 150 kWh, voire plus. Le choix de la batterie dépend donc des besoins de chaque usager en termes d’autonomie et de performance.
Il faut cependant savoir que plus la capacité de la batterie est grande, plus son poids augmente, ce qui accroît également le poids et le prix du véhicule. Il faut en effet compter 140 euros par kWh de capacité de stockage, soit 2 800 euros pour une batterie de 20 kWh, et 8 400 euros pour une batterie de 60 kWh. La capacité de la batterie a également une influence sur la consommation énergétique et donc le bilan carbone du véhicule. Ainsi, une citadine électrique aura une empreinte carbone plus légère qu’un SUV électrique. On estime qu’au-delà d’une capacité de 60 kWh, l’intérêt environnemental d’une voiture électrique n’est plus garanti. Enfin, le temps de charge augmente de façon significative si l’on dispose d’un véhicule équipé d’une batterie de capacité élevée.
Si le développement de la voiture électrique répond intrinsèquement à l’enjeu de réduire l’impact environnemental de la voiture, les premières générations de batteries ne sont que partiellement parvenues à atteindre cet objectif. La recherche actuelle cherche à maximiser cette plus-value environnementale. Le déploiement des gigafactories s’inscrit dans cette dynamique. Les 4 gigafactories implantées ou en projet dans les Hauts-de-France s’insèrent dans la démarche Rev3. Celle-ci constitue le pilier de la nouvelle stratégie économique et industrielle régionale, ainsi que le cadre de référence et le moteur de l’engagement du territoire en faveur de la transition écologique et énergétique.
Cet élan n’est pas seulement industriel, il est également scientifique. En effet, les gigafactories prennent place dans un paysage en mutation permanente, au fil des innovations qui marquent cette course technologique. Dans ce cadre, la recherche s’attache en particulier à concevoir des solutions permettant de concilier performances techniques (capacité de stockage, poids de la batterie, vitesse de recharge), durabilité environnementale (matériaux utilisés, durée de vie, capacité de recyclage) et coût de revient.
La collecte et le retraitement des batteries sont l’un des grands défis adossés au développement des véhicules électriques. La production des batteries utilisées dans ces véhicules a en effet un impact environnemental important, lié à l’extraction, au raffinage et à l’acheminement des matériaux qui les composent (lithium, nickel, cobalt, manganèse, graphite, etc.). Organiser et systématiser leur recyclage est donc un enjeu majeur, afin de diminuer la pression sur ces matériaux et de minimiser l’impact environnemental lié à leur emploi.
À ce jour, entre 70 % et 90 % des composants des batteries lithium sont recyclables. Il est possible par exemple de broyer et chauffer les cellules qui stockent les électrons afin d’obtenir une poudre noire, la black mass, dont on peut ensuite extraire certains métaux (nickel, cobalt, lithium) pour fabriquer de nouvelles batteries. Il est également possible de réutiliser les cellules de batterie ayant perdu une partie de leur capacité dans des applications moins exigeantes, comme les systèmes de stockage d’énergie associés aux installations solaires.
Dans la pratique, le recyclage est encore loin d’être systématique, faute d’équipements industriels adaptés. En France, la région des Hauts-de-France deviendra bientôt le territoire de référence en la matière. Un complexe de recyclage doit en effet voir le jour sur le site du Grand port maritime de Dunkerque, avec d’une part une usine de démantèlement des batteries et de production de black mass, et d’autre part une usine d’hydrométallurgie pour extraire et affiner les métaux stratégiques contenus dans celle-ci. Cette activité déployée à proximité immédiate des futures gigafactories permettra de valoriser les métaux stratégiques contenus dans les batteries tout en sécurisant les approvisionnements en métaux.
Des technologies innovantes sont explorées afin d’améliorer le recyclage des batteries. La pyrométallurgie permet de traiter rapidement de grandes quantités de matériaux et de les restituer sous forme de lingots ou de composés métalliques, mais nécessite une quantité importante d’énergie. L’hydrométallurgie favorise une récupération sélective des métaux, renforçant leur pureté, mais s’avère plus coûteuse. Enfin, la pyrolyse permet de produire également des sous-produits ayant des applications industrielles, comme le carbone actif, mais exige une quantité significative d’énergie et mobilise une technologie complexe. Le perfectionnement de ces techniques en développement devrait à terme permettre d’optimiser le recyclage des batteries usagées.
Le cycle de vie d’une batterie comporte trois grandes phases.
La première d’entre elles concerne la R&D et la fabrication. Cette phase implique l’extraction de matériaux nécessaires au fonctionnement des batteries (lithium, manganèse, cobalt, nickel, cuivre, aluminium, graphite, etc.), puis leur transformation en composants actifs, eux-mêmes assemblés en cellules qui sont ensuite regroupés en modules pour former la batterie. Une gigafactory de 5GWh utilise 4 000 tonnes de carbonate de lithium et 8 300 tonnes de métaux de rares.
La seconde phase correspond à l’utilisation de la batterie dans un véhicule. La durée de vie d’une batterie équivaut à un nombre de 1 000 à 1 500 cycles de charges. Des charges pleines (de 0 % à 100 %) permettent de préserver la qualité et l’intégrité des accumulateurs. La température ambiante, le nombre de cycles de charge, la profondeur de décharge et l’âge de la batterie ont une influence sur la durée vie de la batterie, même si celle-ci tend à s’allonger en nombre de cycles. Au cours de son existence, la batterie doit faire l’objet d’opérations de maintenance préventive et corrective pour garantir son fonctionnement optimal.
La dernière phase de la vie d’une batterie est celle de sa seconde vie ou de son recyclage. Une fois retirée du véhicule où elle était placée, une batterie peut encore servir pour du stockage en soutien à la production d’énergie issue de sources renouvelables et intermittentes (solaire, éolien). Il est également possible de récupérer certains métaux qui la composent (lithium, nickel, cobalt, etc.) pour produire de nouvelles batteries. Les entreprises spécialisées peuvent aujourd’hui recycler 70 % à 90 % des composants d’une batterie.
