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Trois défis pour le Li-ion

Anne Orliac
Trois défis pour le Li-ion

Le système de batterie sécurisé Cleanbat a été développé par SVE pour répondre aux besoins des véhicules électriques et des véhicules hybrides rechargeables sur secteur.

© D.R.

- Le lithium-ion est à coup sûr la technologie reine pour l'automobile électrique. Mais les contraintes soulevées par cette application sont immenses.

Elles ont envahi en un clin d'oeil nos téléphones et ordinateurs portables mais les constructeurs automobiles leur préfèrent encore leurs consoeurs Ni-métal hydrures. Et pourtant, ils le savent : s'ils veulent se lancer dans les véhicules à dominante électrique, ils devront bien abandonner cette technologie certes rassurante mais incapable d'assumer l'autonomie nécessaire malgré un poids raisonnable.

Aux yeux de tous, la performante batterie Li-ion apparaît comme la solution pour le véhicule hybride et électrique. En 2009, Toyota devrait lancer sa première hybride équipée d'une batterie Li-ion et Mitsubishi commercialisera son iMiev, une voiture tout électrique utilisant elle aussi cette technologie. Mais pas question de transposer telles quelles celles utilisées dans les systèmes nomades ! Installer une batterie Li-ion dans une voiture lui impose de strictes conditions en termes de performances, de durée de vie et surtout de sécurité.

1. La sécurité

Rendre sûre une batterie Li-ion coûte cher. Voilà de quoi freiner encore et toujours la commercialisation de véhicules «carburant» au Li-ion. D'abord parce que les éventuels accidents lui feront courir les pires dangers : courts-circuits et explosion si les électrodes se touchent après une déformation du véhicule, dégagement de produits dangereux et inflammation si la batterie est percée... Pour se préserver de tels désagréments, SVE a conçu un pack indéformable muni d'un système de refroidissement à l'eau très efficace. « Le pack doit protéger au mieux la batterie en toutes circonstances - qu'elles soient fonctionnelles ou dysfonctionnelles », explique Sébastien Rembauville, responsable de la communication chez SVE. Une tâche d'autant plus délicate que la batterie d'une voiture tout électrique ne comptera pas que quelques cellules, comme celle d'un ordinateur, mais une centaine !

Même la simple charge peut se révéler dangereuse. « Si les cellules ne sont pas rigoureusement identiques, l'une d'elles peut arriver en fin de charge avant les autres. En continuant à charger, on risque de créer des réactions chimiques parasites, et de dangereux dégagements de gaz, des courts-circuits et des explosions », explique Michel Armand, spécialiste ès batteries au lithium au laboratoire de réactivité et de chimie des solides (LRCS) d'Amiens. Pour éviter de tels risques, il faut équilibrer les cellules : les contrôler et ajuster leur comportement via le BMS (Battery management system). Les électrodes positives à base de cobalt sont beaucoup trop chères.

Les fabricants se sont donc penchés sur de nouveaux matériaux d'électrode (à base de manganèse ou de phosphate de fer pour la cathode et de titanate de lithium pour l'anode). Tout en s'appliquant à répondre à cette question cruciale : faut-il surveiller les cellules par paquets de dix, de cinq, ou encore une par une ? - cette dernière option, la plus sécuritaire, étant aussi la plus coûteuse.

2. Les performances

Question densité énergétique - et donc autonomie -, les batteries Li-ion surpassent largement leurs concurrentes nickel-métal hydrure (entre 110 et plus de 180 Wh/kg pour les premières contre 80 environ pour les secondes). Mais pour qu'elles assument sans mal les brusques variations de charge des voitures, c'est leur puissance qu'il fallait améliorer. Et c'est là que ça se complique. La plupart des batteries Li-ion travaillent à haut potentiel - autour de 4 V -, hors du domaine de stabilité thermodynamique de l'électrolyte qui baigne anode et cathode.

En clair : l'électrolyte se dégrade au cours de la vie de la batterie. « Et augmenter la puissance d'une batterie à haut potentiel revient à accélérer la décomposition de l'électrolyte. Cela peut affecter ses performances, voire mettre en danger le système », explique Jean-Marie Tarascon, chimiste spécialiste ès batteries du LRCS d'Amiens.

La solution : concocter de savants mélanges d'additifs pour stabiliser le précieux électrolyte. Ou utiliser des batteries fonctionnant à des potentiels plus bas, comme celle à cathode de phosphate de fer et de lithium. Mais la structure de l'électrode ne peut alors être laissée au hasard car ce composé est un très mauvais conducteur. Pas très commode pour une électrode !

Pour atteindre les performances désirées, il vaut mieux utiliser des nanoparticules, fabriquées à partir de matériaux de base très purs, ce qui, malgré le prix bas du phosphate et du fer, est cher. Toujours le fameux dilemme.

3. Le vieillissement

Moins crucial que la sécurité ou les performances de la batterie Li-ion, son vieillissement n'a pas pour autant été négligé par les fabricants. Car la batterie d'une auto tout électrique représentera environ 40 % du prix total de la voiture. Autant optimiser sa durée de vie ! Hélas, embarquée dans des véhicules, elle se fatiguera plus vite que lorsqu'elle reste bien sagement immobile dans un labo. « Les vibrations dues au roulement et les chocs peuvent décoller la matière active qui constitue les électrodes, et accélérer le vieillissement de la batterie », explique Yves Chabre, ancien chercheur au CNRS, spécialiste des véhicules électriques et aujourd'hui consultant auprès de divers fabricants et organisations. « Il existe toute une zoologie d'additifs à utiliser pour améliorer l'adhérence. Chaque fabricant a sa recette », précise-t-il.

Le roulement n'est pas le seul à mettre en cause : l'utilisation de la batterie en mode pulsé - avec accélérations et freinages : elle doit délivrer et emmagasiner très vite de l'énergie - lui donne aussi un coup de vieux. Pour rallonger sa durée de vie, le CEA-Liten travaille ainsi sur le projet Simstock, en collaboration avec l'Ademe et des constructeurs automobiles. « L'idée est de définir quelles sont, tout au long de la vie de la batterie, les facteurs qui limitent le vieillissement », ajoute Sophie Mailley, chercheuse au CEA. Elle est bien loin, la bonne vieille batterie au plomb !

LES ALTERNATIVES AU LITHIUM

C'est un fait, la favorite parmi les technologies pour voitures est la batterie Li-ion. Mais quelques sociétés ont misé sur de tout autres couples.

- La société suisse MES-DEA, du groupe Cibe, travaille sur la Zebra. Cette batterie aux électrodes de sodium et de chlorure de nickel doit être maintenue aux alentours de 300 °C pour fonctionner. Elle consomme donc de l'énergie à l'arrêt et si elle refroidit, il faudra attendre de longues heures pour qu'elle soit de nouveau utilisable. « C'est une technologie adaptée aux flottes captives qui, comme celle de La Poste, sont utilisées tous les mois de l'année, 6 jours sur 7, sans dépasser les 120 kilomètres quotidiens », explique Yves Chabre.

- Pour la voiture du particulier, la concurrente la plus sérieuse des Li-ion sera sans doute la batterie lithium métal polymère, développée par BatScap, une société du groupe Bolloré. Elle est sûre car entièrement solide et ses fabricants misent sur une très bonne durée de vie : dix ans. Elle doit être maintenue à 70°C, une température plus raisonnable que celle requise par la Zebra. Systèmes électroniques et de thermorégulation compris, elle dépassera les 100 Wh/kg. Selon le groupe, il sera possible de commander au salon de Genève de mars 2009 une voiture équipée d'une telle batterie, avec une autonomie capable de dépasser 200 kilomètres. Elle sera livrée un an plus tard.

LES PRINCIPAUX FABRICANTS

Une douzaine de fabricants, majoritairement japonais, lorgnent sur le marché prometteur de l'automobile.

- Johnson Controls-Saft (France-États-Unis) - A123 Systems (États-Unis) - PEVE (société conjointe Toyota/Matsushita, Japon) - AESC (société conjointe Nissan/NEC, Japon) - Ener1 (États-Unis) - Hitachi (Japon) - LG Chem (Corée) - GS Yuasa (Japon) - Sanyo (Japon) - Samsung (Corée) - Valence Technology (États-Unis) - Electrovaya (Canada)

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