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Le réservoir de demain est encore dans les labos

ANNE ORLIAC redaction@industrie-technologies.com

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Les capacités du lithium-ion sont censées révolutionner le monde de l'automobile à terme. Mais force est de constater que le compte n'y est pas. Pour embarquer demain en tant que réservoir principal à bord d'automobiles produites en grande série, les batteries devront sérieusement améliorer leurs performances et leur prix de revient. Les chercheurs y travaillent d'arrache-pied.

En deux siècles d'existence, elle s'est imposée comme une source d'énergie majeure ! Depuis 1800 et la mise au point de la fameuse pile à colonne par Alfredo Volta, la batterie a été mise à profit pour débrancher des générations de produits, du téléphone aux outils de bricolage en passant par les ordinateurs. Prochain défi de cette technologie ? Réussir à s'imposer comme le nouveau réservoir de nos automobiles... sans trop grever leurs performances.

Dans ce domaine, ces dernières années ont permis d'accomplir de sérieux progrès. Si les voitures hybrides roulent encore aujourd'hui avec des accumulateurs au plomb ou au nickel-cadmium, le lithium-ion est en train de s'imposer comme la voie d'avenir. Tous les constructeurs, alliés avec des spécialistes de la discipline comme GS Yusa, Saft, Sanyo ou Panasonic, misent sur cette techno pour gonfler les performances de leurs futures voitures électriques.

Les effets d'annonce se succèdent... mais les ruptures tardent quand même à venir. Pour le lithium-ion comme pour les autres capacités, les difficultés commencent quand on multiplie les couples d'électrodes. Concrètement, chaque système ne peut fournir à chaque décharge qu'une quantité d'énergie limitée qui dépend directement des matériaux choisis. Pour augmenter l'autonomie du véhicule, il faut donc multiplier le nombre de cellules, au risque de voir le poids de la batterie (et son prix) monter en flèche. On pourrait également choisir des couples capables de stocker beaucoup d'énergie (dits à haut potentiel) mais cette solution n'a pas que des avantages. Plus le potentiel entre les électrodes est haut, plus l'électrolyte aura tendance à se décomposer et à recouvrir les électrodes d'un film limitant ainsi leur durée de vie.

La technologie Li-ion occupe l'essentiel des recherches

Et ce n'est pas fini ! L'autonomie normale d'une batterie étant relativement faible, le temps de chargement doit être assez court pour que l'usager ne se retrouve pas bloqué au milieu de son trajet. Or cette durée de charge dépend directement de la capacité de la batterie à échanger très vite de grandes quantités d'ions, autrement dit, de sa puissance. Problème : ce système très puissant aura une durée de vie limitée car les atomes s'agglutineront à la surface des électrodes sans prendre le temps d'aller s'enfouir dans leur structure, bloquant ainsi l'accès aux suivants.

Un véritable casse-tête sur lequel les constructeurs et leurs partenaires travaillent d'arrache-pied. La technologie la plus en vogue, la batterie Li-ion, qui tient son nom de l'ion lithium (Li+) échangé par ses électrodes, occupe l'essentiel des recherches. Dans la grande majorité des cas, notamment nos téléphones ou ordinateurs portables, elles sont constituées d'une électrode positive à base de lithium et de cobalt et d'une électrode négative en graphite (NCA). Ce couple permet de stocker de grandes quantités d'énergie, mais le cobalt est trop cher pour que l'on puisse imaginer l'utiliser pour une production en série de batteries pour voitures électriques. Des systèmes plus adaptés ont donc été imaginés. Parmi eux, les batteries avec des électrodes positives à base de lithium et de nickel (LiNiO2) ou de manganèse (LiMnO2), alliées à des électrodes négatives en graphite. Ces couples sont plus sûrs et utilisent des matériaux moins coûteux que les NCA. C'est d'ailleurs sur les LiMnO2 qu'ont misé Nissan pour la Leaf ou Mitsubishi pour l'i-Miev. En tout électrique, leurs batteries offrent une autonomie de l'ordre de 150 km, avec un temps de chargement à 100 % sur secteur d'environ 8 heures. Acceptable, mais encore un peu timide.

Pour doper les performances des batteries, les recherches battent leur plein dans les laboratoires du monde entier. En France, le laboratoire des composants pour l'énergie (LCE) du Commissariat pour l'énergie atomique (CEA) en fait partie. « Nous travaillons sur des couples d'électrodes positives à base de manganèse avec des électrodes négatives à base de carbone et de silicium. Grâce à elles, nous pourrions stocker encore plus d'énergie que les NCA, et à des coûts compétitifs », assure, enthousiaste, Sébastien Martinet, le chef du LCE. Autre candidat très prometteur : les cellules à électrodes positives à base de lithium, de fer et de phosphate (LiFePO4). Accompagnées d'une électrode négative contenant du titanate, elles offriraient des performances particulièrement intéressantes en puissance, plus adaptées aux voitures hybrides.

Si les Li-ion restent sans conteste les favorites, elles ne sont pas les seules à entrer dans la course. On voit apparaître des batteries dites chaudes. La société Batscap, filiale du groupe Bolloré, mise ainsi sur une batterie lithium-métal-polymère. Entièrement solide, elle doit être maintenue à 80 °C pour fonctionner mais promet de tenir la route de longues années en offrant une autonomie de 200 km. De son côté, la société suisse Mes-Dea travaille sur une batterie aux électrodes de sodium et de chlorure de nickel, la Zebra. Léger inconvénient : elle doit être maintenue au moins à 250 °C pour fonctionner.

Plus prospectives, des recherches s'ouvrent aussi sur d'autres technologies à base de lithium. BASF et Sion Power ont ainsi annoncé travailler sur des batteries lithium-soufre. AIST (Tsukuba au Japon) a opté pour le lithium-air. Au LCE et au Laboratoire de réactivité et chimie des solides d'Amiens, les chercheurs se penchent aussi sur une batterie très verte, la lithium-organique. Les électrodes positives et négatives seraient alors fabriquées à partir de résidus de plantes. Leur faible densité pourrait cependant être un frein à l'utilisation dans les véhicules, car de telles batteries seraient très volumineuses.

Du lithium en quantité mais à coût prohibitif

Quoi qu'il en soit, il faudra encore des années, voire des décennies avant de voir de tels systèmes débarquer dans nos voitures. Leur émergence risque d'être d'autant plus longue que la matière première n'est pas des plus abondantes. Le fer, le manganèse, le nickel ou le phosphate sont suffisamment abondants pour couvrir la demande, même grandissante, et les procédés d'extraction sont au point. Pour le lithium, c'est une autre histoire. Une batterie Li-ion pour véhicule tout électrique contient environ 15 kg de carbonate de lithium, soit 3 kg de lithium. Or, selon des chiffres datant de 2008 de l'U.S. Geological Survey (l'office géologique américain), quelque 27 000 tonnes de métal sont produites chaque année à l'échelle du globe. Trop peu pour couvrir les futurs besoins des constructeurs qui se sont lancés dans l'électrique. Bien conscients de cette urgence, Bolloré et Mitsubishi se sont déjà lancés dans des négociations avec les pays concernés, Bolivie et Argentine en tête, pour sécuriser leur investissement.

Les réserves ne manquent pas. Toujours selon l'USGS, 13 millions de tonnes de lithium exploitables attendent que l'on vienne les chercher. « Le problème n'est pas la disponibilité géologique, mais la disponibilité industrielle » explique Christian Hocquard, géologue économiste au BRGM (Bureau de recherches géologiques et minières). Et le coût de leur exploitation. Si le métal mou se retrouve sous diverses formes à la surface de la Terre, les deux principaux types de gisement sont les gisements en roche, exploités principalement pour l'industrie du verre, et certains lacs salés des États-Unis, du Tibet et du triangle Bolivie-Chili-Argentine. Pour l'instant, la quasi-totalité du carbonate de lithium utilisée par les batteries est issue de ces trois pays car le coût de production y est plus avantageux. Il suffit en effet de pomper les saumures, les liquides résiduels emprisonnés sous les croûtes de sel, et de les faire précipiter pour obtenir le précieux composé.

Certains producteurs, pariant sur une hausse des prix du minerai, misent même sur les gisements non conventionnels, les minéraux argileux complexes ou les saumures issus du pétrole. Les leaders du domaine, comme le chilien SQM ou l'américain Chemetall, se disent prêts à faire face à la demande. La question est : à quel coût ? « Il y aura sans doute des tensions sur les prix, avertit Christian Hocquard. Tout dépendra de la capacité des industriels à développer dans les temps les gisements et les méthodes de traitements. » À moyen terme, cela ne résoudra rien pour la voiture électrique. Le lithium restant cher, l'automobile mue par la fée électricité sera plus proche du produit de luxe que de la voiture de "monsieur tout le monde".

Le recyclage, dernier espoir des fabricants

Le recyclage pourrait bien être la dernière solution de repli des fabricants de batteries en mal de lithium. Pour l'instant, il n'est pas rentable de récupérer et de recycler le métal mou (lire aussi p. 10), qui ne représente que 3 % du système. Mais si son marché connaît les tensions qu'on lui promet, tous les moyens seront bons pour récupérer le précieux métal. Deux méthodes sont possibles pour traiter les batteries en fin de vie : la voie thermique, qui les soumet à des températures oscillant entre 800 et 1 000 °C, et la voie hydrométallurgique qui extrait les métaux en solutions grâce à des traitements mécaniques et chimiques sélectifs. Toutes deux donnent comme résidus des composés à base de lithium, qui devront subir de nouveaux traitements pour être réutilisés dans la fabrication de batteries. Mais le lithium n'est pas le seul enjeu. Avec un processus approprié, le recyclage peut donner d'autres résidus intéressants. « Grâce à notre méthode, nous pouvons récupérer les additifs qui représentent 30 à 35 % du prix de la batterie », explique Farouk Tedjar, le président de Recupyl, une société qui a développé un procédé de traitement hydrométallurgique pour les batteries à anode de lithium à température ambiante.

12 000 EUROS.

C'est le coût d'achat d'une batterie lithium-ion, selon le cabinet de conseil Roland Berger.

AUTONOMIE

160 km de rayon d'action (au mieux) face aux 800 km d'un moteur à combustion, le moteur électrique doit encore progresser pour espérer s'imposer.

SÉCURITÉ

Plus légères, plus souples d'utilisation, moins chères que les précédentes générations de batteries, les lithium-ion ont un inconvénient : elles chauffent beaucoup.

POIDS

Pour gonfler l'autonomie des voitures zéro émission, la seule solution consiste à embarquer plus de batteries et donc plus de poids. Un dilemme.

COÛT

Malgré la mise au point de nouvelles technologies, les batteries représentent encore un tiers du prix d'une voiture électrique.

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