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05.07.2021 – ARTIS GROUPE.FR

Batterie voiture … un levier pour la transition vers des transports plus écologiques

Depuis les débuts de l’automobile, le véhicule thermique s’est imposé. Or, aujourd’hui, les problématiques environnementales changent la donne.
Les véhicules thermiques étant responsable de la production de gaz à effet de serre et de pollutions dans les zones urbaines, leur déclin se dessine. L’heure est au transport écologique.
Le marché automobile du futur est donc plutôt celui des véhicules électriques, hybrides ou à hydrogène. Pour ce faire, on doit beaucoup aux progrès effectués sur la batterie voiture. En effet, les voitures électriques ont une autonomie de plus en plus intéressante.
La batterie voiture permet de stocker l’énergie électrique grâce à des réactions électrochimiques. Mais précisément, comment cela fonctionne ? Et qui sont les acteurs majeurs dans la production de batterie ? Nous verrons également les enjeux autour du développement des batteries pour les véhicules électriques.

Batterie de voiture : De quoi parle-t-on ?

Définition batterie de voiture

Une batterie de voiture ou batterie automobile, est une batterie d’accumulateurs qui permet de fournir l’énergie à un véhicule. Une batterie peut alimenter un véhicule automobile thermique sous 12 volts ou, avec un voltage supérieur, des véhicules électriques ou hybrides.
La batterie est un élément devenu complètement ordinaire dans nos vies : nos smartphones en sont équipés tout comme un grand nombre d’appareils électriques dans nos maisons.  L’avantage de la batterie, c’est sa technologie ! Elle permet de récupérer l’électricité produite par une réaction chimique et ainsi faire fonctionner tous ces appareils…
La batterie voiture, précisément, est composée de différents éléments :
  • deux électrodes (l’une positive dite cathode et une négative dite anode) 

  • l’électrolyte : une solution liquide dans laquelle baignent les électrodes

La batterie auto fonctionne alors par la réaction des électrodes plongées au contact du liquide de l’électrolyte. Un courant se crée lorsque les électrons se déplacent de l’anode à la cathode.
Aujourd’hui, il existe un grand nombre de batterie voiture : batteries au plomb, batterie lithium-ion (ou Li-ion), batterie nickel-cadmium (NiCd) ou batteries Nickel-Metal Hydrure…
Mais à ce jour, ce sont souvent les batteries lithium-ion qui monopolisent toutes les attentions car il y a des chances que cette technologie se développe énormément avec le marché de la voiture électrique.

Comment est fabriquée une batterie de voiture ?

Une batterie voiture est un assemblage d’accumulateurs et de cellules qui sont reliés pour créer un générateur électrique.
Ainsi, les cellules permettent de stocker l’énergie électrique puis de la restituer. Ces cellules sont composées de différents matériaux comme le lithium, le cobalt, le graphite, le manganèse ou encore le nickel. Ces matériaux sont des éléments rares qui nécessitent une extraction ou qui sont le fruit d’un processus de raffinage.
Les différentes cellules, en fonction de leur assemblage, des matériaux qui les composent ou de leur taille, vont déterminer la capacité de stockage d’électricité de la batterie. Cette capacité est exprimée en kWh.
Ensuite, l’assemblage des accumulateurs se fait grâce au système de contrôle des batteries d’accumulateurs (Battery Management System) qui a différents rôles, notamment le contrôle de l’état de charge ou le courant dans ou hors la batterie.
Ensuite, ce qu’on appelle le “bloc batterie” (les différents éléments de la batterie ainsi que les cellules) est installé sur un véhicule.

Quels sont les enjeux autour de la batterie voiture ?

Les batteries des voitures électriques pour changer le transport

Le marché des batteries voiture représente un enjeu économique majeur. Le marché mondial devrait exploser et être multiplié par 10 entre 2020 et 2030. La raison ? Le développement des voitures électriques. Les batteries permettent aussi d’intégrer les énergies renouvelables au mix énergétique.
En effet, pour contenir les effets du réchauffement climatique, l’Union Européenne a mis en place en 2020 une stratégie pour réduire les gaz à effet de serre. Cette stratégie inclut différents volets, notamment celui de réduire les émissions de GES du secteur du transport et de la voiture particulière.
Depuis 1990, la plupart des secteurs économiques ont diminué leur GES dans l’Union Européenne. Le transport reste la “bête noire” car plus d’un quart des rejets de la zone UE a connu une augmentation des GES issus du transport : +28% par rapport à il y a 30 ans.
En France, pour tenir les ambitions nationales et européennes, la Loi d’Orientation des mobilités (décembre 2019) vise l’interdiction des voitures qui fonctionnent à l’énergie fossile carbonée à partir de 2040.
Ainsi, la voiture électrique s’impose comme une solution d’avenir pour les transports. Son développement devra se faire à travers l’offre de batterie voiture puissante capables de conférer une grande autonomie aux voitures.

Les freins au développement des voitures à batterie électrique

À ce jour, on reproche aux voitures électriques de ne pas être compétitives par rapport aux voitures thermiques. La cause ? Leur autonomie.
L’autonomie des voitures, qui se fait grâce aux batteries, est encore inférieure aux voitures qui fonctionnent avec du diesel ou de l’essence. C’est un frein majeur à l’achat.
En France, précisément, c’est tout le parc de bornes de recharge qui doit se développer pour permettre aux voitures électriques de s’imposer.
Autre problème soulevé par les batteries au lithium utilisées dans les voitures électriques : l’impact social et environnemental des batteries. En effet, elles nécessitent jusque-là du cobalt, un composant qui fait débat d’un point de vue éthique.
Cependant, les industriels travaillent déjà à des alternatives pour des batteries plus puissantes et sans utilisation du cobalt. C’est le projet de la batterie solide ou Solid State Battery.

Comment est structuré le marché de la batterie voiture ?

La Chine, spécialiste de la batterie voiture

En 2019, près des trois quarts des cellules de batteries voiture sont produites en Chine. De même, les deux tiers des capacités de production mondiale de cathode et d’anode se trouvent sur le même territoire.
La Chine s’impose aussi dans la préparation des matières premières qui servent à la création des batteries voiture.
En effet, le nickel, le manganèse, le cobalt ou encore le lithium sont des matériaux rares qu’il faut retraiter pour les intégrer aux batteries. Or, 80% des centres qui ont la capacité de raffinage de ces minerais sont concentrés en Chine.
Au niveau de l’extraction des minerais directement, on peut citer le rôle majeur du Congo. C’est sur le sol de la République démocratique du Congo que l’on extrait le cobalt. Là aussi, la Chine s’illustre car ces mines sont contrôlées en grande partie par des entreprises chinoises.
Mais la dynamique sur le marché de la batterie voiture pourrait changer rapidement avec l’arrivée de l’Europe sur ce secteur.

Quelle place pour l’Europe sur le marché de la batterie voiture ?

Face à la surpuissance de la Chine sur le marché de la batterie voiture, la Commission européenne a lancé en 2017 une alliance entre différents pays européens. Objectif ? Bâtir une chaîne de valeur intégrée sur le sol européen pour créer des batteries 100% made in Europe.
Ainsi, on compte déjà plus de quinze projets d’usines de batteries lithium lancées en Europe. Ces projets sont lancés par des industriels : Total et PSA, Northvolt, CATL ou encore LG Chem. À ce titre, Artis participe activement au développement de ce nouveau marché innovant. En effet, nous travaillons sur les nouvelles solutions d’extraction du lithium en Europe.
L’objectif de l’Europe est de pouvoir répondre à sa demande intérieure de batteries voiture dès 2025. Avant cela, de nombreux défis restent à relever, notamment la compétitivité des prix par rapport aux batteries voiture chinoises. La question du recyclage de batteries voiture s’impose aussi. Enfin, les recherches sur la batterie tout solide devraient également constituer un bouleversement pour le secteur.

https://www.artis-groupe.fr/blog/batterie-voiture-transport-ecologique



12/7/2021 – ARTIS GROUPE.FR

Solid State Battery : pourquoi il faut s’y intéresser dès maintenant ?

Le monde a besoin de plus d’énergie propre et renouvelable pour effectuer sa transition énergétique. Et pour cause : le transport est le deuxième secteur émetteur de gaz à effet de serre au niveau mondial ! Or, quelles sont les nouveautés pour réinventer notre façon de se déplacer ?
Les innovations ne manquent pas à travers les véhicules électriques ou à hydrogène. Mais pour stocker leur énergie, le développement de batteries plus légères et plus puissantes doit voir le jour.
C’est le cas des travaux autour de la Solid State Battery. Elle serait plus puissante que les batteries lithium aujourd’hui utilisées sur les véhicules électriques. Une petite révolution donc, pour permettre d’augmenter l’autonomie des voitures !
Comment fonctionne la Solid State Battery et quels seraient ses avantages par rapport aux accumulateurs classiques ?

Solid State Battery : de quoi parle-t-on ?

Définition Solid State Battery

La Solid State Battery ou batterie tout solide en français, est un accumulateur destiné à alimenter un véhicule. On l’appelle aussi parfois batterie à électrolyte solide.
Ce qui distingue Solid State Battery des autres types de batterie est la technologie utilisée. Dans les batteries lithium-ion qui sont actuellement installées sur le marché, les ions utilisent l’électrolyte liquide pour se déplacer. Dans une batterie solide, l’électrolyte liquide est remplacé par un composé inorganique solide.
Les premières Solid State Battery datent des années 1980 : elles étaient fabriquées en format couche mince. Puis, le développement de cette technologie a été ralenti en raison de la difficulté à fabriquer des batteries plus importantes. C’est finalement en 2011 que le projet a pu avancer au travers le projet de recherche de chercheurs japonais. De nouvelles formes d’électrolytes solides ont été découvertes, avec une conductivité ionique importante.
Aujourd’hui, on retrouve des batteries solides dans les pacemakers. Des projets de batteries destinées aux véhicules sont en cours de développement.
Les Solid State Battery devraient être les remplaçantes des accumulateurs au lithium (lithium ion batteries) car leur densité énergétique est plus intéressante. En plus, la fabrication se fait sans l’utilisation de métal rare comme le cobalt.

Fonctionnement Solid State Battery

Le fonctionnement d’une Solid State Battery est proche d’une batterie classique. De toute évidence, elle se compose de la même façon qu’une batterie ordinaire :
    • deux électrodes en contact avec un élément conducteur (électrolyte) et isolées par un séparateur
    • il y a une électrode négative (anode) et une électrode positive (cathode)
En revanche, ce sont les matériaux utilisés dans la composition de l’anode et de la cathode qui vont changer et ainsi influencer le potentiel d’énergie de la batterie.
Dans une batterie lithium-ion, l’anode se compose de graphite, la cathode de dioxyde de cobalt et l’électrolyte de lithium.
Au contraire, dans une batterie solide où l’on utilise un électrolyte solide, on fait appel à des composés différents. Par exemple, l’anode et la cathode pourraient être fabriquées avec du lithium plus performant.
Au niveau de l’électrolyte solide, ce matériau serait un type de céramique composé de plusieurs éléments (sodium, phosphore, zirconium) et que l’on pourrait trouver dans l’écorce terrestre, même en Europe. Des recherches sont actuellement en cours en ce sens, notamment en Allemagne au sein de l’Institut Fraunhofer.
Résultats ? On peut espérer des volumes de batterie réduits avec une puissance supérieure tout en ôtant certains risques de sécurité liés à l’utilisation des batteries lithium.

Avantages de la Solid State Battery

Améliorer les capacités des batteries

Une Solid State Battery donnerait lieu à une avancée majeure pour le développement des véhicules électriques en augmentant l’autonomie des véhicules électriques.
On sait que c’est un critère important qui limite à ce jour encore l’achat d’un véhicule électrique. En effet, les véhicules thermiques ont une meilleure autonomie.

Or, il y a deux façons d’augmenter l’autonomie d’une voiture :

    • augmenter le volume de batterie
    • augmenter la puissance de la batterie
Dans le premier cas, ce n’est pas viable : la voiture serait trop lourde. En revanche, avec une batterie solide, le niveau d’autonomie serait le même qu’avec une voiture thermique sans alourdir le véhicule.
Une batterie solide a une capacité énergétique jusqu’à 3 fois supérieure à celle des habituelles batteries lithium-ion.

Plus de sécurité

De plus, la Solid State Battery a un autre avantage de taille par rapport à un accumulateur classique : sa sécurité.
En effet, en utilisant des électrolytes solides inorganiques, les éléments ne sont ainsi plus inflammables comme sur des composants liquides. Cela diminuerait le risque d’auto-incendie qui peut survenir lors d’un accident de voiture.
D’un point de vue technique, la batterie solide présente aussi des atouts incontestables. Pour sa production, les matériaux utilisés ont une plus forte capacité de tension pour créer des batteries plus denses mais plus légères.
Ainsi, les véhicules pourront être équipés de batterie avec une durée de vie plus importante, moins difficiles à manipuler et surtout moins chère à produire à long terme.

Disponibilité et perspectives pour la Solid State Battery

Des projets en cours de finalisation

Incontestablement, la Solid State Battery est la batterie du futur sur laquelle de nombreux constructeurs automobiles parient !
À ce stade, l’industrialisation de la batterie solide n’est pas pour tout de suite. Mais on sait dès à présent que des groupes automobiles travaillent à son développement.
Par exemple, Volkswagen s’est lié à Quantum Scape Corporation, une entreprise qui effectue des recherches sur les batteries, pour présenter son premier modèle équipé d’une batterie solide. Leur collaboration devrait permettre de créer une première ligne de production pour un modèle de voiture équipé à paraître en 2025.
Du côté des marques Ford et BMW, elles soutiennent la start-up Solid Power, spécialisée dans les batteries. Solid Power aurait levé 130 millions de dollars en mai 2021 pour développer son modèle de batterie solide.
Plusieurs pays européens se sont également réunis pour créer une vraie chaîne de valeur autour de la batterie électrique au travers du groupe European Battery Alliance. Au total, pas loin de vingt sociétés variées progressent ensemble pour faire avancer la recherche dans le domaine et ainsi proposer des batteries entièrement “Made in Europe”.
On sait dès à présent que l’entreprise chinoise Qing Tao Energy Development a pu développer une production de batterie solide avec une meilleure densité énergétique qu’une batterie lithium. Mais la cadence de fabrication ne permet pas encore aujourd’hui de délivrer des batteries pour l’industrie.
La “course” à la Solid State Battery reste donc un enjeu de taille pour le développement de cette technologie et du parc de véhicules électriques.

La Solid State Battery a-t-elle des inconvénients ?

Les batteries à électrolyte solide sont attendues depuis longtemps par les acteurs des véhicules électriques, les véhicules équipés de piles à combustibles, mais également ceux qui développent les technologies à l’hydrogène.
À ce jour, évidemment, son principal inconvénient est son coût puisque la production en est encore à ses balbutiements. Les premiers véhicules équipés d’une Solid State Battery devraient avoir un coût d’achat supérieur en raison de l’arrivée de cette nouvelle technologie.
On ne sait à ce jour pas encore si la charge des batteries tout solide sera aussi rapide qu’avec une batterie classique. Il reste également en suspens la question de l’approvisionnement en électricité pour supporter une mutation importante du parc automobile vers le tout électrique.

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