Développement de batteries de nouvelle génération : où en sommes-nous et vers quoi nous dirigeons-nous ?
18 décembre 2024
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. L’objectif européen ambitieux d’une société axée sur la neutralité climatique, défini par le Pacte vert pour l’Europe (Green Deal), prévoit en effet l’électrification progressive de secteurs aujourd’hui dépendants des combustibles fossiles. Dans cette mission, les batteries de nouvelle génération s'imposent comme des alliées majeures, indispensables à la décarbonation et à la transition énergétique.
Il est ainsi devenu indispensable d'investir dans la recherche et l’innovation, afin de faire évoluer les technologies actuelles. L'objectif est de répondre à la demande du marché et aux besoins de secteurs industriels de plus en plus diversifiés, qui exigent de hautes performances, notamment en matière de densité énergétique et de recharge rapide (fast charging).
Élargir le paysage technologique permettra en effet à ces innovations d'exprimer tout leur potentiel dans différents domaines d'application. De plus, cela facilitera la diversification de l'approvisionnement en matières premières, tout en renforçant la résilience de la chaîne d'approvisionnement (supply chain).
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 de recherche collaboratifs jouent un rôle central pour renforcer la compétitivité de l'Europe sur le marché mondial. À travers le déploiement d'actions concrètes, ils visent à transformer la façon dont nous concevons et développons des batteries haute performance. Ces solutions, à la fois sûres, durables et accessibles pour des applications réelles, contribuent directement à l'objectif de souveraineté technologique européenne.
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, en garantissant en même temps une densité énergétique élevée.
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, dans une perspective d'économie circulaire et d'éco-conception.
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 de plus en plus vers la prochaine génération de batteries, qui promet un meilleur compromis entre hautes performances, sécurité intrinsèque (notamment à travers la prévention de l'emballement thermique ou thermal runaway) 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, notamment le stockage d'énergie et les applications industrielles à grande échelle.
L'adoption de la chimie LFP (Lithium Fer Phosphate) s'est désormais imposée comme le standard de référence dans le secteur automobile, en particulier pour le segment du marché de masse (mass market). Outre la sécurité intrinsèque, le véritable avantage concurrentiel réside dans l'optimisation du coût au kWh. Si Tesla et BYD ont ouvert la voie, aujourd'hui des géants de l'industrie tels que Ford, Stellantis et Renault (via sa filiale Ampere) utilisent massivement les cellules LFP pour rendre la mobilité électrique accessible à grande échelle.
La chimie NMC (Nickel-Manganèse-Cobalt) s'affirme comme le standard de référence pour le secteur automobile à hautes performances, grâce à une excellente densité énergétique et à sa capacité à fournir des puissances spécifiques élevées. Toutefois, le revers de la médaille concerne la durée de vie en cycles (cycle-life), qui reste sensiblement inférieure à celle de la technologie LFP (Lithium-Fer-Phosphate). De plus, la présence de cobalt soulève d'importantes questions de durabilité et des défis majeurs liés à l'approvisionnement en matières premières critiques (Critical Raw Materials).
La recherche dans ce domaine s'oriente vers un horizon sans cobalt (cobalt-free), avec une attention particulière portée à la réduction de ce composant critique et coûteux. Le parcours évolutif a d'abord vu le développement des cellules NMC 111 (où le nickel, le manganèse et le cobalt sont présents à parts égales), en passant par les NMC 622, jusqu'aux très récentes NMC 811. Ces dernières réduisent considérablement la quantité de cobalt (à 10 %) tout en augmentant fortement la proportion de nickel (à 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 le développement de batteries de quatrième génération basées sur des électrolytes solides — avec ou sans anode en lithium métallique. Ces technologies sont considérées par l'industrie comme la clé de voûte pour le déploiement à grande échelle des batteries à l'état solide (solid-state).
Une avancée majeure pourrait provenir de l'adoption de la technologie à anode en silicium (Silicon Anode Technology). Alors que les batteries au lithium actuelles reposent principalement sur des anodes en graphite, les prochaines étapes de la recherche visent à combiner ce matériau avec un pourcentage de silicium afin d'augmenter considérablement la capacité énergétique.
En effet, les batteries à l'état solide dotées d'une anode en lithium métallique pourraient atteindre une densité énergétique deux fois supérieure à celle des technologies actuelles, dépassant ainsi les limites des batteries à électrolyte liquide.
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.
À plus long terme, les feuilles de route technologiques prévoient l'avènement de la technologie lithium-air (Lithium-Air Technology). Cette solution chimique exploite la réaction entre le lithium métallique et l'oxygène présent dans l'air : une approche novatrice qui pourrait entraîner une augmentation drastique de la densité énergétique et des performances des batteries. Toutefois, à ce jour, il s'agit encore d'une perspective lointaine, qui nécessite des études approfondies en Recherche et Développement (R&D) avant de devenir une réalité industrielle 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, grâce aux avancées de la recherche, les cellules au sodium devenaient également compétitives en termes de durée de vie en cycles, leurs coûts réduits associés à une densité énergétique plus faible en feraient une technologie parfaitement adaptée à des applications telles que les systèmes de stockage d'énergie stationnaires (Energy Storage Systems - ESS) ou les véhicules électriques d'entrée de gamme à 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.
Pour faciliter le développement de batteries européennes de nouvelle génération, il sera de plus en plus crucial pour l'Europe d'investir dans des technologies de pointe permettant de simuler le comportement des systèmes et d'effectuer des analyses prédictives, à l'instar du développement de jumeaux numériques (digital twins). L'intégration de fonctionnalités intelligentes et de BMS (Battery Management System) avancés, capables de surveiller en continu l'état de santé (SOH) et la sécurité, ainsi que de réaliser une maintenance prédictive, sera de plus en plus centrale pour concevoir des batteries plus efficaces, durables et sûres. Enfin, le recyclage des batteries peut se transformer en un véritable avantage concurrentiel, réduisant la dépendance aux matières premières importées et contribuant à une plus grande durabilité du secteur. »
