D'année en année, le besoin en batteries à travers la planète ne fait qu'augmenter. En 2022, les voitures électriques représentaient 10% des ventes mondiales de véhicules et elles devraient atteindre 30% à la fin de cette décennie. Par ailleurs, les politiques menées partout dans le monde ne feront qu'accélérer cette croissance : la récente législation américaine sur le climat va permettre d'injecter des milliards de dollars dans la fabrication de batteries et dans des mesures d'incitation à l'achat de véhicules électriques. L'Union européenne (UE) et plusieurs Etats américains ont interdit les véhicules à essence à partir de 2035. Pour permettre la transition, nous aurons besoin de nombreuses batteries. Des batteries de meilleure qualité et mois onéreuses qu'actuellement.
Aujourd'hui, la plupart des véhicules électriques sont alimentés par des accumulateurs lithium-ion. Il s'agit d'une technologie vieille de plusieurs décennies qui est également utilisée dans les ordinateurs et téléphones portables. Toutes ces années de développement ont permis de faire baisser les coûts et d'améliorer les performances de sorte que les prix des véhicules électriques actuels sont proches de ceux des voitures à essence. Les véhicules électriques peuvent parcourir des centaines de kilomètres entre deux recharges. Aujourd'hui, les batteries lithium-ion trouvent également de nouvelles applications, notamment le stockage de l'électricité sur le réseau qui permet d'équilibrer les sources d'énergie renouvelables intermittentes comme l'éolien et le solaire.
Toutefois, il reste encore beaucoup d'espace pour l'innovation. Les laboratoires universitaires et les entreprises cherchent des moyens d'améliorer la technologie, en augmentant la capacité, en accélérant le temps de charge et en réduisant les coûts. L'objectif est de mettre au point des batteries encore moins chères qui fourniront un stockage bon marché pour le réseau et permettront aux véhicules électriques de parcourir de plus grandes distances avec une simple charge.
Dans le même temps, les inquiétudes concernant l'approvisionnement en matériaux essentiels pour les batteries, comme le cobalt et le lithium, poussent à rechercher des alternatives à la chimie lithium-ion standard.
Face à l'explosion de la demande de véhicules électriques et d'énergies renouvelables ainsi qu'au boom du développement des accumulateurs, une chose est sûre : les batteries joueront un rôle clé dans la transition vers les énergies renouvelables. Voici ce à quoi il faut s'attendre en 2023.
Les batteries solides vont-elles révolutionner l'autonomie des voitures électriques ?
Certaines approches radicalement différentes, par rapport à ce que nous connaissons, au niveau des accumulateurs pour véhicules électriques pourraient se développer en 2023 mais il faudra être patienter avant que leur impact commercial ne soit palpable.
L'une des avancées à surveiller cette année concerne les batteries dites "à l'état solide". Les batteries lithium-ion et les produits chimiques connexes utilisent un électrolyte liquide qui transporte la charge. Les batteries à l'état solide, elles, remplacent ce liquide par des céramiques ou d'autres matériaux solides.
Ce changement ouvre la voie à des possibilités permettant de concentrer davantage d'énergie dans un espace plus restreint. Autre avantage : cela pourrait améliorer l'autonomie des véhicules électriques. Les batteries à l'état solide pourraient également faire circuler la charge plus rapidement, ce qui signifie que le temps nécessaire pour recharger son véhicule sera plus court. Et comme certains solvants utilisés dans les électrolytes peuvent être inflammables, les partisans des batteries à l'état solide affirment qu'elles améliorent la sécurité en réduisant les risques d'incendie.
Les accumulateurs à l'état solide peuvent faire appel à un large éventail de produits chimiques. Pour l'un des principaux acteurs du secteur, le choix s'est porté sur le lithium-métal : Quantumscape concentre ses efforts sur cette technologie et a levé des centaines de millions de dollars avant son entrée en Bourse en 2020. L'entreprise américaine a conclu un accord avec Volkswagen qui pourrait intégrer ces batteries dans les voitures d'ici 2025.
Toutefois, réinventer complètement les batteries s'avère être une tâche difficile et les batteries au lithium-métal ont été confrontées à des problèmes de dégradation au fil du temps ainsi qu'à des défis de fabrication. Fin décembre, Quantumscape a annoncé qu'elle avait livré des échantillons à des partenaires automobiles pour qu'ils les testent. Cela constitue une étape importante pour l'intégration des batteries à l'état solide dans les voitures. D'autres acteurs du secteur des batteries à l'état solide, tels que Solid Power, travaillent également à la fabrication et au test de leurs batteries.
Les batteries solides ne constituent pas la seule innovation technologique à surveiller : il y a aussi les batteries sodium-ion. Ces dernières ont une conception similaire à celles des batteries lithium-ion. Elles possèdent notamment un électrolyte liquide mais, au lieu de s'appuyer sur le lithium, elles utilisent le sodium comme principal ingrédient chimique. CATL, le géant chinois des batteries, prévoit de commencer à produire en masse ces batteries en 2023.
Les batteries sodium-ion n'offriront pas forcément de plus-value en termes de performances mais elles pourraient réduire les coûts car elles emploient des matériaux moins chers et plus largement disponibles que ceux utilisés pour les batteries lithium-ion. Toutefois, il n'est pas certain que ces modèles de batteries puissent répondre aux besoins en matière d'autonomie et de temps de charge des véhicules électriques. C'est pourquoi plusieurs sociétés qui s'intéressent à cette technologie, comme l'entreprise américaine Natron, visent des applications moins exigeantes pour commencer tels que le stockage stationnaire ou les appareils de micromobilité comme les vélos et les scooters électriques.
Selon Yayoi Sekine, responsable du stockage de l'énergie au sein de la société de recherche sur l'énergie BloombergNEF, le marché des batteries destinées au stockage stationnaire de l'électricité est aujourd'hui peu important - environ un dixième de la taille du marché des batteries pour véhicules électriques. Mais la demande de stockage de l'électricité augmente à mesure que l'on installe des sources d'énergie renouvelable car les principales sources pour ce type d'énergie, comme l'éolien et le solaire, sont variables. Les batteries peuvent aider à stocker l'énergie au moment où elle est nécessaire.
Les batteries lithium-ion ne sont pas idéales pour le stockage stationnaire même si, de nos jours, elles sont couramment utilisées à cette fin. Alors que les batteries des véhicules électriques deviennent de plus en plus petites, légères et rapides, l'objectif principal du stockage stationnaire est de réduire les coûts. La taille et le poids n'ont pas autant d'importance pour le stockage sur réseau. Cela signifie que d'autres chimies vont probablement l'emporter.
L'une des étoiles montantes du stockage stationnaire est le fer. En 2023, deux acteurs pourraient faire la démonstration de progrès dans ce domaine. Form Energy développe une batterie fer-air qui utilise un électrolyte à base d'eau et qui stocke l'énergie grâce à la rouille réversible. La société a récemment annoncé la construction d'une usine de 760 millions de dollars à Weirton, en Virginie occidentale. Les travaux devraient débuter en 2023. Une autre entreprises, ESS, construit un autre type de batterie au fer utilisant une chimie similaire. Elle a commencé à fabriquer son siège social de Wilsonville, en Oregon.
Ls prix des matériaux utilisés pour fabriquer les batteries des voitures électriques sont extrêmement volatiles
Les performances des batteries lithium-ion ne cessent de s'améliorer alors que leurs coûts baissent, ce qui n'empêchent pas les chercheurs de poursuivre les efforts pour perfectionner la technologie.
Ils sont motivés, en partie, par la volatilité des prix des matériaux utilisés pour fabriquer ces batteries. Cette donnée pourrait pousser les entreprises à changer de chimie. "C'est une question de coût", résume Yayoi Sekine.
Les cathodes sont généralement l'une des parties les plus onéreuses d'une batterie et un type de cathode appelé NMC (pour nickel manganèse cobalt) est la variété dominante dans les batteries des véhicules électriques actuels. Mais ces trois éléments, en plus du lithium, sont coûteux. Ainsi, la suppression de certains d'entre eux, voire de tous, pourrait contribuer à réaliser des économies.
L'année 2023 pourrait être une année charnière pour une autre alternative au lithium-ion : le phosphate de fer lithié (LFP), un matériau de cathode à faible coût parfois utilisé pour les batteries lithium-ion.
Les récentes amélioration apportées à la chimie et à la production du LFP ont permis d'accroître les performances de ces modèles de batteries. Les entreprises s'empressent d'adopter cette technologie et la part de marché des LFP augmente rapidement : elle est passée d'environ 10% du marché mondial des véhicules électriques en 2018 à environ 40% en 2022. Tesla équipe déjà certains de ses véhicules avec des batteries LFP. Par ailleurs, des constructeurs automobiles comme Ford et Volkswagen ont annoncé qu'ils prévoyaient également de proposer certains modèles de véhicules électriques dotées de cette chimie.
Bien que la recherche sur les batteries ait tendance à se concentrer sur la chimie des cathodes, les anodes sont elles aussi appelées à faire peau neuve.
La plupart des anodes des batteries lithium-ion actuelles, quelle que soit la composition de leur cathode, utilisent du graphite pour retenir les ions de lithium. Cependant, des alternatives comme le silicium pourraient contribuer à augmenter la densité énergétique et à réduire le temps de charge.
Les anodes en silicium font l'objet de recherches depuis des années mais, historiquement, elles n'ont pas eu une durée de vie assez longue pour être intégrées dans des produits. Aujourd'hui, cependant, les entreprises commencent à développer la production de ces matériaux.
En 2021, la start-up Sila a commencé à produire des anodes en silicium pour les batteries d'un appareil de fitness portable. L'entreprise a récemment reçu une subvention de 100 millions de dollars du ministère de l'énergie américain pour l'aider à construire une usine de fabrication à Moses Lake, dans l'Etat de Washington. L'usine servira le partenariat de Sila avec Mercedes-Benz et devrait produire des matériaux pour les batteries des véhicules électriques à partir de 2025.
D'autres start-up s'efforcent de mélanger le silicium et le graphite pour fabriquer des anodes. OneD Battery Sciences, qui a conclu un partenariat avec General Motors, et Sionic Energy pourraient franchir de nouvelles étapes vers la commercialisation cette année.
Aux Etats-Unis, des mesures pour inciter à la production de véhicules électriques
Aux Etats-Unis, la loi sur la réduction de l'inflation (l'IRA) qui a été adoptée fin 2022 prévoit de réserver près de 370 milliards de dollars de financement pour le climat et les énergies propres dont des milliards destinés à la fabrication de véhicules électriques et de batteries. "Tout le monde a l'IRA en tête", déclare Yet-Ming Chiang, chercheur en matériaux au MIT et fondateur de plusieurs entreprises de batteries.
L'IRA (pour Inflation reduction act) fournira des prêts et des subventions aux fabricants de batteries aux Etats-Unis, ce qui devrait booster les capacités. En outre, les crédits d'impôt prévus dans la loi au sujet des véhicules électriques vont inciter les constructeurs automobiles à s'approvisionner en matériaux aux Etats-Unis, ou auprès de leurs partenaires de libre-échange, et à fabriquer des batteries en Amérique du Nord.
Tout cela signifie qu'il y aura de plus en plus de demandes pour les composants clés des batteries lithium-ion, notamment le lithium, le cobalt et le nickel. L'une des conséquences possibles des incitations de l'IRA est une augmentation de l'intérêt déjà croissant pour le recyclage des batteries.
CATL et d'autres entreprises ont pris la tête de ce secteur mais, en 2023, le recyclage des batteries pourrait connaître une croissance significative sur d'autres marchés importants de véhicules électriques comme l'Amérique du Nord et l'Europe. Les sociétés Redwood Materials, basée au Nevada, et Li-Cycle, dont le siège est à Toronto, construisent des installations et s'efforcent de séparer et de purifier les métaux clés des batteries pour les réutiliser.
Li-Cycle devrait commencer à mettre en service sa principale usine de recyclage en 2023. Redwood Materials a commencé à fabriquer son premier produit - une feuille de cuivre - à partir de son atelier situé à l'extérieur de Reno, dans le Nevada, et a récemment annoncé qu'elle prévoyait de construire sa deuxième installation cette année à Charleston, en Caroline du Sud.
Avec l'afflux d'argent provenant de l'IRA et d'autres mesures dans le monde qui alimentent la demande de véhicules électriques et de leurs accumulateurs, 2023 constituera véritablement une année à surveiller pour le secteur.
Article de Casey Crownhart, traduit de l'anglais par Kozi Pastakia.
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