Qu'est-ce qu'une batterie au lithium-ion ?

La voiture électrique existe depuis les tout premiers débuts de l’automobile, même qu’elle était en avance sur l’essence au tournant du 20e siècle. À cette époque, 38 % du parc automobile américain était électrique.

Ce qui a ralenti son progrès, c’est la découverte du pétrole et son extraction en grande quantité par forage. Puis des acteurs dans l’industrie, comme Henry Ford, qui se sont lancés dans la production de masse de véhicules thermiques. L’autre facteur a été les limitations en lien avec les anciennes batteries au plomb, dont l’autonomie plafonnait, dans le meilleur des cas, à 100 kilomètres. C’est l’arrivée de la batterie au lithium-ion, au milieu des années 1960, qui a permis à l’auto électrique de redevenir populaire.

Mais comment fonctionne une batterie au lithium-ion ? Quels sont ses avantages et ses inconvénients, et pourquoi a-t-elle récemment pris autant d’ampleur dans le marché ? Voici quelques explications.

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Les premiers concepts de véhicules électriques mus par une batterie au lithium-ion remontent à 1967 où AMC (American Motors Corporation) avait présenté un concept électrique nommé Amitron. Ce tout petit véhicule urbain proposait une autonomie de 241 kilomètres grâce à une batterie au lithium-nickel-fluorure dont la capacité était chiffrée à 22,5 kilowattheures.

Au fil des années, les constructeurs d’automobiles et certaines entreprises indépendantes ont mis sur le marché des véhicules électriques marginaux, vendus en petite quantité, et qui agissaient plutôt à titre de vitrine technologique. On pense, entre autres, à la Jet Electrica 007, une Dodge Omni convertie, ou à la Chrysler TEVan, une Caravan électrique. La GM EV1 des années 1990 a marqué la première tentative sérieuse de louer une voiture électrique viable au grand public.

Mais les coûts d’approvisionnement de lithium étaient élevés, repoussant l’intérêt des constructeurs d’automobiles. C’était carrément plus simple et moins coûteux pour l’industrie de prioriser le moteur thermique.

C’est le marché de l’électronique, au début des années 2000, qui a permis d’améliorer l’accessibilité au lithium. Se procurant ce métal en plus petite quantité en raison d’appareils plus compacts, l’industrie de l’électronique était ainsi capable de mieux absorber les coûts d’approvisionnement et de créer des économies d’échelle, permettant au lithium de devenir à la fois plus accessible et moins cher.

Tesla, premier constructeur à l’utiliser

Tesla a été le premier constructeur d’automobiles à utiliser le lithium pour propulser une voiture de production avec sa Roadster en 2008. Les prototypes de la Tesla Roadster, qui remontent à 2004, employaient une série de batteries au lithium-ion (69 au total) provenant d’ordinateurs portatifs.

En 2010, les constructeurs de batteries commençaient déjà à réagir à cette nouvelle tendance et à produire des batteries au lithium-ion grand format pour alimenter des véhicules. C’est ce qui a permis à Nissan de mettre en marché sa toute première LEAF en 2010, suivie de la Mitsubishi i-MiEV en 2011. La batterie au lithium-ion alimente aujourd’hui presque tous les véhicules électriques.

Comment fonctionne une batterie au lithium-ion et quels sont les applications ?

La batterie au lithium-ion porte son nom en référence aux ions de lithium qui habitent et circulent à l’intérieur de l’électrolyte, composant vital au fonctionnement d’une batterie.

Au moment d’écrire ces lignes, toutes les batteries de véhicules électriques sur le marché emploient un principe d’électrolyte liquide. Il s’agit d’un liquide conducteur qui permet de faciliter le voyage d’un ion de lithium chargé en électricité.

Quand une batterie est dans son processus de recharge, l’électricité circule par l’entremise de la cathode. Sa composition chimique réagit à cette charge, lui permettant de relâcher un électron. Cet électron vient ensuite charger un ion de lithium qui flotte dans l’électrolyte comme un ballon dans les airs. Les propriétés chimiques de l’électrolyte lui permettent ensuite de protéger l’ion et, même, d’y injecter d’un additif, comme le carbonate de vinylène. Ceci améliore ses propriétés conductrices.

Or, quand on dit qu’une batterie est pleinement chargée, c’est que tous les ions de lithium à l’intérieur de l’électrolyte ont été chargés en électricité. Quand on sollicite la batterie, ces ions entrent en contact avec l’anode et transfèrent leur électricité. C’est ce processus de transfert d’énergie qui constitue la base de la capacité de puissance d’une batterie.

Qu’est-ce qu’une batterie de type Solide State ?

Il est toutefois important de préciser que le marché de l’électronique a déjà commencé à employer le principe de l’électrolyte solide (Solid State). Ce principe élimine entièrement le liquide conducteur d’une batterie. Cette technologie est aussi envisagée pour l’automobile en raison de sa grande densité énergétique et de son endurance, mais ses coûts élevés freinent actuellement son développement.

En sachant tout cela, on constate donc que la quantité de lithium à l’intérieur d’une batterie n’est pas très élevée. Dans les faits, elle ne correspond qu’à environ 7 % des matériaux utilisés pour sa conception.Ce sont la cathode et l’anode qui constituent la plus grande quantité de métaux dans une batterie au lithium-ion.

Qu’est-ce que la dégradation d’une batterie ?

La dégradation d’une batterie – c'est-à-dire son incapacité de retenir une charge ou de prendre plus de temps avant d’être pleinement rechargée – est directement liée à l’usure de la cathode. En fonction de sa composition, plus elle aura été sollicitée, moins elle sera en mesure de relâcher des électrons pour charger les ions qui dorment dans l’électrolyte. Plus elle prend de l’âge, moins la batterie est performante.

C’est pourquoi les constructeurs manipulent la chimie de leurs batteries afin d’améliorer leur densité énergétique (la capacité de produire une certaine quantité d’énergie pendant une heure en fonction de son poids), leur endurance ou de réduire leurs coûts. Voilà ce qui explique la variété de modèles de batteries au lithium-ion sur le marché.

Par exemple, la cathode et l’anode d’une batterie au lithium-ion NCA sont composées de nickel, de cobalt et d’aluminium, tandis que la batterie NCM est plutôt composée de nickel, de cobalt et de manganèse.

Prenons la batterie NCM 712 de LG Chem à titre de référence. C’est cette batterie qui propulse la Chevrolet Bolt EV et le Hyundai Kona électrique de première génération. Elle est constituée à 70 % de nickel, à 10 % de cobalt et à 20 % de manganèse.

Quels sont les avantages et inconvénients de la batterie au lithium-ion ?

L’avantage évident de la batterie au lithium-ion par rapport aux anciennes batteries au plomb ou au nickel métal hydrure (NiMH), c’est sa capacité de pouvoir emmagasiner plus d’électricité, de la déployer pendant une plus grande durée et de pouvoir encaisser plus de cycles de recharge.

L’usage intensif du nickel pour la cathode a permis de considérablement améliorer le rendement et, surtout, la densité énergétique de la batterie au lithium-ion. Celle-ci se situe actuellement entre 150 et 325 wattheures (Wh) du kilogramme. Elle a une endurance de 500 à 1 500 cycles de recharge.

Le nickel n’est toutefois pas parfait et vient avec certains inconvénients. D’emblée, il est coûteux, s’affichant autour de 350 $ le kilowattheure. Son extraction est également polluante.

Pour remédier à ces défauts, certains constructeurs d’automobiles ont décidé de remplacer le nickel par le fer. C’est la composition de la batterie LFP (pour lithium-fer-phosphate). Bien que sa densité énergétique soit moindre à 120 wattheures/kilogramme, ses coûts sont nettement moins élevés, s’affichant aux environs de 260 $ le kilowattheure. En outre, la batterie LFP s’est montrée plus endurante que les batteries au lithium-ion à base de nickel, affichant une endurance pouvant dépasser 2 000 cycles de recharge.

La batterie au lithium-ion avec un électrolyte liquide demeure sensible aux températures élevées. Des instabilités à l’intérieur de l’électrolyte liquide peuvent aussi mener à un incendie. C’est pourquoi beaucoup d’argent est investi dans le principe à électrolyte solide afin de rendre la batterie au lithium-ion encore plus sécuritaire.

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