La technologie des batteries lithium-ion a révolutionné les appareils électroniques portables et les véhicules électriques. Mais elle présente de sérieuses faiblesses. Elles expliquent aujourd’hui les limites de la voiture électrique et la raison pour laquelle elle offre des usages plus limités et des prestations inférieures à un véhicule thermique. Le principal problème vient de la densité énergétique relativement faible des batteries lithium-ion. Des progrès existent, mais ils sont lents et faibles.
Cela signifie qu’il faut emporter des centaines de kilos de batteries pour fournir une autonomie acceptable à une voiture électrique. Il est par ailleurs impossible de les recharger en quelques minutes et la recharge très rapide tant vantée, de 30 à 45 minutes, se traduit par leur usure prématurée. Leur fabrication est coûteuse en terme d’empreinte carbone et coûteuse pour l’environnement compte tenu des conditions dans lesquelles sont extraits les métaux qui leur sont indispensables. Enfin, elles sont difficiles à recycler.
Le lithium-ion, une technologie intermédiaire
Cela explique pourquoi la technologie lithium-ion (voir photographie ci-dessus de la structure d’une Nissan Leaf) est considérée comme une étape intermédiaire, même si évidemment les fabricants disent le contraire. Mais ce n’est pas pour rien si de nombreux groupes investissent dans des technologies théoriquement bien plus performantes, notamment la batterie solide. Le graal des constructeurs automobiles. Volkswagen, Toyota, General Motors, Hyundai et Ford ont investi dans des sociétés innovantes qui développent des batteries solides. Le problème est qu’on annonce depuis maintenant des années une percée dans ce domaine… Et, elle n’est toujours pas pour demain.
Les batteries solides pourraient commencer à apparaître dans les véhicules à la fin des années 2020 et encore plus comme une preuve de concept que comme une technologie passant au stade industriel. Pourquoi est-il donc si difficile de maîtriser cette technologie?
D’abord, le principe. Une batterie à électrolyte solide est une batterie dans laquelle l’électrolyte liquide (c’est-à-dire le liquide qui transporte les ions d’une électrode à l’autre de la batterie) est remplacé par un matériau à l’état solide. Ce solide peut être un oxyde, un sulfure ou un polymère. Le principal problème est la formation de dendrites, un amas excédentaire d’électrolyte solidifié qui détruit la batterie.
Pour autant, les électrolytes solides ont des performances qui méritent qu’on poursuive leur développement. Elles augmentent considérablement la densité d’énergie des batteries et leur sécurité du fait de leur stabilité en température. Pour donner un ordre d’idée, les batteries lithium-ion les plus performantes ont une capacité de stockage de l’ordre de 250 Wh par kg, une batterie solide peut parvenir à 450 Wh par kg. Mais quand?
Toyota promet un véhicule électrique à batteries solides d’ici 2025
Selon Seeking Alpha, spécialiste de l’analyse des marchés financiers et des entreprises, «construire une batterie solide qui fonctionne avec le rendement et aux températures nécessaires pour une utilisation dans le monde réel est difficile, très, très difficile. Si difficile en fait que personne ne l’a encore fait». Certains constructeurs automobiles sont clairement plus avancés que d’autres. Ainsi, Nikkei.com annonçait en décembre 2020 que«Toyota a l’intention d’être la première entreprise à commercialiser un véhicule électrique équipé d’une batterie solide dans les prochaines années. Le premier constructeur automobile mondial devrait dévoiler un prototype l’an prochain» [c’est-à-dire en 2021].
Toyota a bien confirmé ces ambitions dans la batterie solide mais a été bien plus prudent sur le calendrier. «Les batteries des prochaines générations, solides et métal-air, sont plus sûres et offrent de meilleures performances que les batteries lithium-ion», a expliqué à Autoweek Ed Hellwig, de Toyota Motor North America. «Nous travaillons actuellement sur la recherche et le développement des batteries solides y compris leur production. Et nous avons réussi à faire rouler des véhicules avec des batteries extrêmement petites. Nous accélérons le développement en visant la commercialisation pour la premières moitié des années 2020».
Ford et Hyundai ont eux investi dans la société américaine Solid Power installée dans le Colorado. Son Pdg, Doug Campbell, a expliqué à Autoweek avoir obtenu d’excellents résultats avec des cellules de batteries solides constituées de 22 couches de sulfures. «Nous espérons voir une production viable commercialement, ce qui signifie des batteries dans des voitures qui n’auront pas des coûts exorbitants, autour de 2026». Il ajoute que l’industrie des batteries a une mauvaise réputation pour faire sans cesse des promesses qu’elle est incapable de tenir. L’exemple très récent de QuantumScape, une société californienne spécialisée dans les batteries solides, suffit à le démontrer.
Spéculation boursière
QuantumScape est entrée en Bourse le 27 novembre 2020. Le cours de son action s’est envolé, gagnant 256% en moins d’un mois. Une spéculation alimentée notamment par des articles annonçant que la société était un futur Tesla et que même Bill Gates était devenu actionnaire. QuantumScape a annoncé avoir surmonté le problème des dendrites et créé des batteries qui conservaient 80% de leurs capacités après 1.100 cycles de décharge-recharge. Cela signifiait pour une batterie assurant une autonomie de 300 kilomètres, une durée de vie des batteries bien supérieure à 300.000 kilomètres. QuantumScape annonçait une commercialisation de ces cellules d’ici 2024.
Et puis l’action a soudain plongé perdant 60% de sa valeur. Le 4 janvier, Seeking Alpha a écrit que les batteries de QuantumScape sont «petites et non testées et n’ont jamais été expérimentées en-dehors d’un laboratoire». Quelques jours plus tard, le cabinet d’avocats de New-York a lancé une action de groupe contre QuantumScape au nom d’actionnaires qui estiment avoir été trompés.
Les batteries solides sont sans doute l’avenir. «Elles offrent de grandes promesses et le potentiel de résoudre de nombreux défis comme par exemple la stabilité lors des recharges rapides», explique Sam Abuelsamid, analyste spécialiste de la mobilité électrique de Guidehouse Insights. Mais il reconnait aussi que «personne aujourd’hui n’a été capable de passer de prototypes fabriqués à la main à une production industrielle». Ram Chandrasekaran, analyste spécialisé dans les transports de Wood Mackenzie, estime que les constructeurs automobiles seront capables de mettre des batteries solides dans des voitures d’ici la fin de la décennie. Mais il s’agira plus d’une démonstration que d’une offre commerciale. Car les rendre compétitives économiquement avec les batteries lithium-ion prendra encore beaucoup de temps…
