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Les prochaines batteries veulent augmenter l’autonomie et réduire les coûts

Les différentes technologies de batterie en concurrence pour le véhicule électrique vont continuer de recourir massivement au lithium. Avec, en ligne de mire la réduction de la teneure en cobalt, elles cherchent à doubler leur autonomie d’ici 2035.

« Le Li-ion est installé probablement pour tout le XXIème siècle ! En effet, la plupart des technologies alternatives sont au moins trois fois plus chères. Cela n’empêche pas d’envisager d’autres chimies », pose Jean-Marie Tarascon, professeur au collège de France et directeur du Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie (RS2E). Pour assurer la production de 275 GWh de batteries pour six à sept millions de véhicules à l’horizon 2030, les Gigafactories européennes devront tout d’abord gagner en autonomie et baisser les coûts. Notamment en jouant sur les matériaux.

« La technologie Li-ion liquide, que tout le monde emploie aujourd’hui, perdurera au moins jusqu’en 2030, précise Sébastien Patoux, chef de laboratoire au CEA-Liten (Laboratoire d’innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux). Depuis sa commercialisation en 1991 par Sony, sa densité d’énergie massique, autrement dit l’autonomie qu’elle offre, est passée de 90 Wh/kg (Watt heure par kilo) à plus de 250 Wh/kg aujourd’hui. On va chercher les 300 Wh/kg dans les prochaines années. »

Gros point noir du Li-ion liquide, sa réactivité et son inflammabilité due en partie à l’électrolyte liquide. D’où l’intérêt du Li-ion gélifié et du Li-ion tout solide (Solid State ) qui devraient offrir chacun une bien plus grande sécurité d’utilisation. La densité d’énergie massique du premier n’excédera sans doute pas les 300 Wh/kg. Mais s’il prend de vitesse le second, c’est-à-dire s’il sort en 2022-2023, il pourrait constituer un compromis intéressant entre performance et sécurité.

De leur côté, le Li-ion Solid State et Lithium-Metal respectivement envisagés pour 2025 et 2027, devraient afficher des densités d’énergie massique respectives de 400 Wh/kg et de 450 Wh/kg. « On a du mal à prédire avec précision comment ces technologies vont percer », tempère Sébastien Patoux. Dans les deux cas, on retrouve du nickel, du manganèse et du cobalt à la cathode (électrode positive). Et, à la place du classique graphite-silicium à l’anode, possiblement un feuillard de lithium métal à terme. Toujours dans la famille à électrolyte solide, le Lithium-Soufre pourrait délivrer une densité d’énergie massique jusqu’à 500 Wh/kg vers 2030. Autre avantage attendu, la modification de certaines étapes du processus de fabrication avec la suppression des solvants pour un gain en énergie et en coût. « Les progrès sont lents. On gagne au mieux 1 % à 2 % d’autonomie par an, reprend Sébastien Patoux. Mais les durées de vie augmentent plus fortement. »

Fabrication d’un prototype de cellule pour batterie Sodium-Ion.
©Tiamat

Autre enjeu majeur : le recyclage des batteries. « Initialement prévue pour sept ans, la durée de vie des batteries va jusqu’à 10 ou 15 ans. Une vraie surprise », souligne Joseph Beretta, président de l’antenne française de l’Association pour le développement de la mobilité électrique (Avere). Du coup, les besoins européens en traitement pourraient s’élever à 50 000 tonnes de batteries dès 2027, selon le Comité stratégique de filière (CSF) Mines et Métallurgie. Première voie : après sept à huit ans en mobilité électrique, la batterie, qui conserve 70 % à 80 % de sa capacité, peut connaître une seconde vie en usage stationnaire pour sept à huit ans.

Seconde voie : le recyclage. A cet égard, on trouve 5,5 kg de cobalt dans une batterie de véhicule d’entrée de gamme (40 kWh) et jusqu’à 11 kg pour voiture haut gamme (90 kWh). Quant au prix de ce matériau, le plus cher dans une batterie, il a oscillé, en cinq ans, entre 21 750 euros et 95 000 euros la tonne (Boursorama). Pour l’Europe, l’enjeu, c’est de contrer la maîtrise de la Chine qui, chaque année, recycle déjà 69 % des batteries dans le monde (100 000 tonnes ). Surtout elle intègre le recyclage à ses usines de production de batteries. D’après, l’Alliance européenne pour la batterie, créée en 2017, le recyclage européen pourrait satisfaire 10 % des besoins en cobalt en 2030.

À moins de s’affranchir du cobalt. Tel est l’enjeu du Sodium-ion qui se passe des métaux classiques du lithium-ion : lithium, nickel, manganèse, cobalt, cuivre, graphite… « Nous offrons une autonomie certes deux fois moindre que celle du li-ion liquide mais la durée de la recharge est d’à peine 5 minutes », explique Laurent Hubard, PDG de la start-up Tiamat, spécialiste mondial de cette technologie issue du réseau RS2E. Surtout, la technologie est beaucoup moins chère. Aujourd’hui, la jeune pousse a besoin de boucler un tour de table de 25 millions d’euros afin de construire son usine pilote d’une capacité de 1 MWh. Les industriels européens, surtout dans la période incertaine de l’après Covid-19 vont-ils suivre ?

Prototype de cellule pour batterie Sodium-ion assemblée
©Tiamat

Les écoles d’ingénieurs en route pour le véhicule du futur

Anticipant les besoins de compétences liés à l’apparition des véhicules connectés et autonomes, des établissements ouvrent des formations. Avec l’appui des professionnels du secteur automobile.

Avec le passage de la voiture thermique à la voiture connectée et autonome, le monde de l’automobile va connaître de profondes mutations. Certaines compétences sont vouées au déclin. Entre autres, l’usinage de précision, la fonderie d’acier ou encore le montage mécanique. C’est du moins ce que montre une étude prospective sur l’impact des mutations de la construction automobile sur l’emploi et les besoins de compétences. Réalisée en novembre 2018 par l’Observatoire de la métallurgie, cette enquête pointe également les compétences requises pour la conception et la production du véhicule connecté et autonome.

Pour fonctionner, ce type d’automobile requiert une centaine de millions de lignes de code. D’où la nécessité de mobiliser des ingénieurs spécialisés en électronique embarquée, traitement de l’image et du signal mais aussi en Big Data, intelligence artificielle et cybersécurité. Autant de compétences qui vont cruellement faire défaut si rien est entrepris.Pour répondre à ces futurs besoins, de nouvelles formations émergent dans les établissements d’enseignement supérieur. Citons, entre autres, l’Estaca (techniques de construction aéronautique et automobile), l’Esiea (monde numérique) et l’ECE (anciennement École centrale d’électronique).

En plus de sa spécialité dédiée aux systèmes embarqués, cette dernière propose une nouvelle majeure consacrée au Véhicule connecté et autonome (VCA). Les quatre modules de formation proposés portent sur les usages clients, le véhicule (architectures et outils), le véhicule connecté et enfin le véhicule autonome. « L’idée est de donner aux élèves la culture d’un environnement technique avec une vision à 360 degrés », indique Olivier Chesnais, responsable de cette majeure. Tous ces modules ont été construits en partenariat avec des acteurs de l’automobile. A savoir, Valeo, Faurecia, Transdev, Vector et AVL. Sans oublier PSA et Renault qui ont réalisé conjointement le module de formation véhicule autonome.

La première promotion de près d’une quarantaine d’élèves en dernière année a démarré en septembre 2019. Les diplômés devraient arriver sur le marché en septembre ou octobre. « A la demande des industriels, une formation à l’apprentissage va ouvrir en 2021 », indique le responsable de la majeure qui a bénéficié également du soutien de la Plateforme de la filière automobile(PFA) et de la Société des ingénieurs de l’automobile (SIA).

Idem d’ailleurs pour l’Estaca. Cette dernière propose une formation par alternance pour l’obtention d’un diplôme d’ingénieurs véhicules connecté et autonome. Concoctée également avec l’appui des acteurs de l’automobile, cette formation comprend 1 200 heures de cours. Elle intéresse des techniciens expérimentés qui veulent se reconvertir. La première promotion a démarré l’an dernier. Parmi les grands axes du programme, citons les sciences humaines et sociales, le numérique, les systèmes et réseaux embarqués, le véhicule autonome et communicant ainsi que les motorisations. De quoi préparer les élèves aux métiers de l’ingénierie du futur et les services associés.

La première promotion d’ingénieurs pour l’automobile du futur de l’ECE
comprends 40 élèves.
©ECE

©Eliane Kan et Erick Haehnsen