Développement de batteries de nouvelle génération : où en sommes-nous et vers quoi nous dirigeons-nous ?

Image tirée du livre blanc Eurobat 2030 Battery Innovation Map

Plus de trente ans après leur invention et leur commercialisation, il devient de plus en plus évident que les batteries au lithium ont transformé le présent de la mobilité et qu’elles sont appelées à révolutionner l’avenir. En effet, l’objectif européen ambitieux d’une société neutre en carbone fixé par le Pacte vert envisage l’électrification progressive de secteurs aujourd’hui dépendants des combustibles fossiles et considère les batteries comme les principales alliées de cette mission.

C’est ainsi qu’est née la nécessité d’investir dans la recherche et l’innovation pour faire évoluer les technologies déjà existantes, afin de répondre à la demande du marché et aux besoins de secteurs de plus en plus diversifiés.

Ces nouvelles évolutions ne sont pas vouées à remplacer les technologies actuelles, mais à en élargir les possibilités. En effet, agrandir le paysage technologique permettra à ces innovations de pouvoir exprimer leur potentiel dans différents domaines d’application, facilitant également la diversification de l’approvisionnement en matières premières.

La naissance de feuilles de route européennes pour planifier l’avenir des batteries en Europe

Comme dans tout grand projet, il convient de suivre une ligne directrice qui définit clairement le parcours et en fixe les objectifs.

Au niveau européen, il existe différentes feuilles de route liées aux batteries, comme Battery 2030+ ou Eurobat, qui ont vu le jour dans le but d’orienter les prochaines étapes en termes de recherche et d’innovation de nouvelles chimies et de matériaux plus durables et efficaces pour les cellules des batteries. Ces projets collaboratifs jouent un rôle central afin de renforcer la position de l’Europe sur le marché, à travers la mise en œuvre d’activités de recherche pour transformer la façon dont nous développons et concevons des batteries à très hautes performances, sûres, durables et pouvant être utilisées dans des applications concrètes.

En effet, l’Europe se trouve encore en position de faiblesse par rapport aux pays asiatiques dans ce secteur et, si elle souhaite rivaliser au niveau mondial, elle doit combler son fossé technologique actuel. Comme cela s’est produit récemment, les interruptions des chaînes d’approvisionnement, l’augmentation des coûts des matières premières et la nécessité pour l’Europe d’obtenir des matières premières critiques ont mis en lumière l’importance de diversifier le développement de technologies avancées pour des cas d’utilisation spécifiques.

Les objectifs de la feuille de route européenne Battery 2030+

Haute densité énergétique, sécurité accrue et durabilité croissante. Tels sont les objectifs des batteries du futur

Les prérogatives auxquelles les batteries du futur devront répondre sont claires et ont pour objectif principal d’optimiser les performances des batteries, tout en misant sur une réduction des coûts et un haut niveau de sécurité.

Aux côtés de la recherche d’une densité énergétique, d’une rentabilité et d’une durée de vie accrues, la durabilité représente un élément d’une importance cruciale. L’objectif est non seulement de s’assurer que les matériaux sélectionnés répondent aux besoins de performances immédiats, mais également qu’ils sont conformes aux objectifs de durabilité à long terme en réduisant au minimum les potentiels problèmes environnementaux ou de recyclage susceptibles de survenir au fur et à mesure que ces matériaux seront adoptés par le marché.

L’objectif de cette action est de développer différentes chimies avec des perspectives claires de faisabilité pour l’évolutivité des processus de production. À cet égard, le TRL (Technology Readiness Level) est un indicateur crucial pour comprendre dans quelle mesure une technologie est proche de la production en série. Il s’agit d’une méthode d’évaluation qui indique le stade d’évolution et de maturité d’une technologie, c’est-à-dire dans quelle mesure elle est prête à être commercialisée. Alors que les technologies dont l’indicateur TRL est élevé, comme les chimies LiFePO4 (LFP) et NMC, sont déjà bien intégrées dans les processus industriels, celles dont l’indicateur TRL est plus bas sont encore en phase de recherche et développement.

La situation des batteries d’aujourd’hui : de quelle génération est-il question ?

Il s’agit aujourd’hui de la génération 3 des technologies de batteries, plus précisément de la génération 3a mais, bien qu’il existe sur le marché des systèmes de batteries qui répondent à la définition de « génération 3 », leurs performances ne sont pas à la hauteur des batteries prévues pour 2030.

L’industrie se concentre principalement sur l’optimisation industrielle des chimies NMC et LFPactuelles, en cherchant à équilibrer densité énergétique, coûts et durabilité. La réduction de la teneur en cobalt, l’utilisation d’anodes en silicium et la diminution des matières critiques sont au cœur de ces développements. En parallèle, l’attention se tourne vers la prochaine génération de batteries, qui promet un meilleur compromis entre performances élevées, sécurité et faible impact environnemental.

D’abord considérée comme la prochaine étape évolutive afin de poursuivre l’amélioration de la densité énergétique, la génération 3b est encore au stade embryonnaire et n’est pas encore prête à être mise en place, compte tenu également du rapport en termes de coûts, de performances et d’effort de production requis pour développer les échantillons.

Les deux chimies sur lesquelles le marché se concentre aujourd’hui : LiFePO4 et NMC

La production des cellules se concentre principalement sur deux technologies clés, notamment sur le marché grand public : LiFePO4 (LFP) et NMC, qui répondent chacune à des besoins d’application spécifiques.

La chimie LiFePO4 (LFP, lithium-fer-phosphate) gagne une part croissante du marché grâce à ses caractéristiques de sécurité, sa durabilité et ses longs cycles de vie, qui en font un choix populaire pour les applications qui nécessitent un bon équilibre entre les coûts et les performances.

L’utilisation des batteries LFP progresse toujours davantage, y compris dans le domaine automobile, un secteur qui considère de plus en plus cette chimie comme une technologie éprouvée pour les véhicules, en raison de ses avantages en termes de haute sécurité et de coûts des matières premières inférieurs. Pour citer quelques noms connus, Tesla et BYD ont déjà intégré des batteries LFP au sein de leur gamme respective, tandis que des fabricants comme Ford et Renault ont annoncé qu’ils allaient bientôt commencer à les utiliser.

La chimie NMC (nickel-manganèse-cobalt) reste l’un des principaux choix pour ce qui est du monde automobile hautes performances grâce à sa densité énergétique élevée et à sa capacité à fournir beaucoup de puissance. En revanche, ces batteries ont un cycle de vie plus court que celui des batteries LFP et un plus grand impact environnemental en raison de la présence de cobalt.

La recherche dans ce domaine a accordé une grande attention à la réduction du pourcentage de ce composant critique et coûteux en développant d’abord les NMC111, dans lesquelles le nickel, le manganèse et le cobalt sont présents en proportions égales, puis les plus récentes NMC622 (60 % nickel, 20 % manganèse et 20 % cobalt) et NMC811, qui réduisent considérablement la quantité de cobalt (10 %) en augmentant la proportion de nickel (80 %).

Perspectives d’avenir : les évolutions des chimies à base de lithium

Les chimies à base de lithium ont devant elles une feuille de route évolutive claire annonçant une série d’objectifs ambitieux et de développements technologiques significatifs, ce qui en fait l’une des ressources clés à surveiller à l’avenir. En effet, cette chimie demeurera l’une des technologies fondamentales pour le développement de nouvelles applications, grâce à sa polyvalence et à ses performances avancées.

L’attention accordée par la recherche aux électrolytes solides et aux anodes en silicium

Plusieurs projets collaboratifs européens visent également à développer des batteries aux ions de lithium de quatrième génération contenant des électrolytes solides, avec ou sans anode de lithium métallique, en tant que candidats à long terme de l’industrie.

L’introduction d’anodes en silicium pourrait également représenter un progrès considérable. Alors que les batteries au lithium actuellement disponibles sur le marché sont principalement composées d’anodes en graphite, les prochaines étapes de la recherche sont axées sur la combinaison de l’anode traditionnelle en graphite et d’un certain pourcentage de silicium.

Les batteries à l’état solide contenant du lithium métallique pourraient potentiellement atteindre une densité énergétique deux fois supérieure à celle des batteries actuelles.

De plus, les dernières études industrielles ont démontré que la chimie LMFP (lithium-manganèse-fer-phosphate) pourrait avoir des résultats prometteurs. Il s’agit d’une variante de la chimie LFP, dans laquelle la concentration en manganèse dans le matériau de cathode atteint les 80 %, tandis que les valeurs traditionnelles sont comprises entre 50 % et 70 %.

Cette nouvelle configuration maintient le niveau de sécurité caractéristique des batteries LFP, avec une augmentation de l’autonomie estimée à 20 %.

Chimies post lithium-ion : des technologies avantageuses, mais qui nécessitent du temps et des études

Alors que les batteries lithium-ion représentent aujourd’hui une technologie éprouvée, la recherche voit déjà plus loin, en développant des solutions innovantes qui dépassent les limites actuelles. Il s’agit de chimies appelées « post lithium-ion » qui, bien qu’elles existent déjà, ne sont pas encore répandues à grande échelle en termes de production.

Parmi celles-ci, les batteries au lithium à l’état solide (Li-ASSB) contenant une anode en lithium métallique, à ne pas confondre avec les batteries à l’état solide (mentionnées dans le paragraphe suivant), promettent des avantages significatifs en termes d’efficacité et de sécurité. Bien qu’elles ne soient pas encore pleinement adoptées pour la traction, ces solutions sont déjà utilisées dans des dispositifs tels que les smartphones et les drones.

Si l’on regarde encore à plus long terme, les feuilles de route technologiques prévoient l’introduction de la chimie lithium-air, une solution qui exploiterait la réaction entre le lithium métallique et l’oxygène présent dans l’air.  Cette approche pourrait conduire à une augmentation significative de la densité énergétique et des performances des batteries. Néanmoins, à ce jour, il s’agit encore d’une perspective lointaine qui nécessite des études et des expérimentations supplémentaires avant de pouvoir devenir une réalité concrète.

Sodium : une bonne alternative pour les applications qui ne nécessitent pas des performances élevées

Attendues sur le marché après 2025, les batteries au sodium, bien qu’elles ne puissent pas rivaliser avec les performances du lithium en termes de puissance et de densité énergétique, pourraient tout de même représenter une alternative potentiellement plus économique par rapport au lithium, même si elles ne peuvent pas égaler leurs performances en termes de densité énergétique.

Si, avec le développement de la recherche, les cellules au sodium devenaient également compétitives sur le plan de la durée des cycles de vie, les coûts réduits et la faible densité énergétique en feraient une technologie adaptée à des utilisations telles que des solutions fixes ou des véhicules électriques d’entrée de gamme avec une autonomie limitée.

Néanmoins, à ce jour, la densité volumique correspond à environ la moitié de celle offerte par la chimie LFP et, n’étant pas encore en phase de production à grande échelle, les coûts actuels des batteries au sodium dépassent encore ceux des batteries LFP, ce qui permet difficilement une compétitivité économique concrète pour le moment.

État solide : des perspectives de sécurité accrue

En ce qui concerne la quatrième génération de cellules, les batteries à l’état solide apparaissent comme les principales protagonistes, suscitant un intérêt croissant.

Leur innovation la plus significative réside dans le remplacement de l’électrolyte liquide par un séparateur solide. En effet, supprimer l’électrolyte liquide permettrait d’améliorer la sécurité en éliminant presque totalement le risque d’incendie.

Combinée à l’utilisation d’anodes en lithium pur, cette technologie offre un énorme potentiel pour augmenter de façon significative la densité énergétique, bien que, pour le moment, cette configuration présente certains défis. En ce sens, les batteries à l’état solide contenant des anodes en lithium sont actuellement au cœur de nombreuses études et développements technologiques.

Créer les batteries de nouvelle génération : une opportunité européenne

Non seulement la conception de cellules de nouvelle génération influe sur les caractéristiques des batteries elles-mêmes, mais elle produit également une réaction en chaîne dans toute la filière, de l’extraction des matières premières à la phase de recyclage. En effet, une augmentation des performances et de la densité énergétique au niveau de la cellule peut améliorer de façon significative l’efficacité globale du secteur, tout en garantissant le leadership technologique européen au niveau mondial.

L’Europe pourrait potentiellement rattraper son retard en ce qui concerne le développement des compétences dans le secteur des batteries, mais un changement de rythme est nécessaire pour rivaliser avec les acteurs asiatiques qui, grâce à des volumes de production nettement supérieurs et à des investissements significatifs dans l’innovation, repoussent les limites non seulement de la technologie, mais également des processus industriels liés aux batteries. Actuellement, les défis européens sont clairs : les récents développements concernant les gigafactories de batteries démontrent que l’écosystème industriel n’est pas encore prêt à rivaliser à armes égales avec les géants asiatiques.

Néanmoins, l’Europe pourrait devenir un leader dans le domaine du recyclage des batteries. Ce secteur représente une opportunité stratégique, grâce à une solide communauté de recherche et d’innovation qui prouve déjà qu’elle est capable de développer des technologies avancées en termes de récupération de matériaux critiques.