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Véhicules électriques : les batteriesTechnologies et production

Les Cahiers verts

Mars

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2010

Véhicules électriques : les batteriesTechnologies et production

L’OVE ne saurait être tenu responsable de toute erreur, oubli et autre résultat tiré de l’utilisation de ces cahiers et/ou de toute exploitation des informations contenues dans ces cahiers. Copyright 2010 - Observatoire du Véhicule d’Entreprise. Tous droits réservés. Toute reproduction ou diffusion même partielle, par quelque procédé ou sur tout support que ce soit, ne pourra être faite sans l’accord préalable écrit de l’Observatoire du Véhicule d’Entreprise.

En collaboration avec Planète Verte

Le véhicule électrique a été au centre des annonces sur les projets industriels des constructeurs au cours de l’année 2009. Le Gouver-nement français, de son côté, a mobilisé les énergies autour d’un enjeu essentiel pour l’avenir automobile et industriel de notre pays et a publié, à la fin de l’année dernière, le plan de développement des véhicules décarbonnés. Pas un journal, pas une télévision, pas une radio n’a manqué de traiter du véhicule électrique. Le salon de Francfort a été le point haut de cet engouement. Cette vague médiatique autour du véhicule électrique peut paraître exagérée et porteuse de déceptions en regard de l’offre encore quasi inexis-tante de véhicules. Elle n’en est pas moins utile. Le véhicule élec-trique n’est pas « révolutionnaire » seulement par ses aspects tech-niques respectueux de l’environnement, il est aussi au centre d’un « écosystème », comme on dit aujourd’hui, qui verra se développer d’autres formes de mobilités. C’est tout le pari qu’a fait l’OVE en lançant l’OVE Mobility Tour sur le thème « Mobilités de demain et véhicules électriques ». Nos modes de consommation automobile évolueront avec ou sans véhicules électriques, en revanche, l’arrivée massive et économiquement rentable du véhicule électrique accélé-rera ces changements.Pour que le véhicule électrique s’impose, il faut encore répondre à de nombreuses questions techniques et économiques, rassurer les futurs utilisateurs et les investisseurs à la fois sur la longévité et la fiabilité de la technologie, mais aussi sur la viabilité du business model, notamment à cause de la batterie qui est l’élément central de ces véhicules. L’OVE a commencé ce travail de pédagogie en publiant au mois de mai 2009 le Cahier vert « Tout savoir sur les véhicules électriques » et en lançant l’OVE Mobility Tour qui connaît un succès de fréquentation considérable dans toutes les villes où il s’arrête. La batterie étant une composante majeure, nous avons voulu aller plus loin encore et expliquer les technologies des batteries et leur mode de fonctionnement afin que chacun d’entre nous ait les élements de connaissance indispensables à sa réflexion. C’est l’objet de ce nouveau cahier. Bonne lecture.

Philippe [email protected]

Le contexte fin 2009 4

Les batteries, comment ça marche ? 6

Les technologies utilisées dans les batteries d’accumulateurs 10

Situation respective des différentes technologies 12

La famille des batteries au Lithium 16

Nanotechnologies et batteries de nouvelle génération 24

Les enjeux industriels 26

Comment sont fabriqués les packs de batteries ? 30

Questions de courants, de la prise électrique au moteur 34

Le plein d’énergie 36

Recyclage des batteries 40

Origine géographique des matières premières et ressources 42

Perspectives futures des chaînes de traction pour VE 44

Sources 46

Edito

Sommaire

Le contexte fin 2009Les véhicules électriques (VE) et leurs batteries sont plus que jamais sous les projecteurs des médias.Nous assistons au lancement de campagnes de com-munication à grande échelle, sur toute la planète, dont les émetteurs sont des entreprises globales.

Le secteur de l’automobile est en pleine ébullition, des majors comme GM, Ford, l’alliance renault/ Nissan, Toyota, Honda communiquent intensément sur les VE. Le thème principal du salon de Francfort en septembre 2009 pouvait se résumer en un seul mot : électrique ! Pratiquement tous les constructeurs pré-sents au « Frankfurt Motor Show » ont présenté des véhicules électriques, que ce soient des hybrides, des plug-in hybrides ou des purs électriques.

Les équipementiers, traditionnellement fournisseurs des constructeurs, complètent leurs gammes de pro-duits et services par des éléments de chaînes de trac-tion électriques. C’est le cas de Magna, de Johnson Controls, de Bosch, de Valeo.

des géants de l’électronique ont emboîté le pas des constructeurs en se positionnant sur le stockage d’énergie électrique, les batteries de nouvelle géné-ration. de NEC à Panasonic, en passant par LG ou Samsung, les plus grands ont mobilisé des investis-sements colossaux et tout semble indiquer que des évolutions majeures sont en cours.

Complétant le dispositif industriel, les géants des industries chimique et pétrolière comme BASF, dow Chemical, duPont, 3M ou encore ExxonMobil Chemical, se positionnent comme fournisseurs de composants pour la production à grande échelle de nouvelles générations de batteries. Au-delà de cette activité médiatique, du déluge d’annonces effec-tuées par les grands groupes, les attentes des usagers se précisent en intentions d’achats. Une multitude de nouveaux acteurs apparaît sur le marché, une nouvelle génération de motoristes, des équipemen-tiers spécialisés, des petits constructeurs innovants proposent dès 2010 une gamme complète de vé-hicules à propulsion électrique ou hybride. Ils sont annoncés avec des performances largement supé-rieures aux premiers VE commercialisés à la fin des années 1990, mais ils suscitent encore de nombreu-ses interrogations.

Seront-ils fiables, leurs technologies de batteries sont-elles au point, y aura-t-il suffisamment de ma-tières premières pour les fabriquer, comment tout cela fonctionne-t-il... ?

Pour tenter d’apporter un éclairage sur ces points, les Cahiers verts de l’OVE vous proposent d’entrer dans l’univers des batteries en ce début de XXIe siècle.

4 www.observatoire-vehicule-entreprise.com 5Les Cahiers verts - Mars 2010

Véhicules électriques : les batteries

Les batteries, comment ça marche ?

Un peu d’histoire

C’est en 1860 que le Français Gaston Planté (1834-1889) construit la première « pile électrique » rechargeable, il l’appelle alors pile secondaire ou accumulateur.

Il utilise deux feuilles de plomb, séparées par une bande de caoutchouc, enroulées en spirale et plon-gées dans une solution liquide acide. La réaction chimique provoquée par le couple plomb + acide permet de stocker de l’électricité dans le disposi-tif lorsqu’il est parcouru par un courant électrique continu, c’est la période de « charge ».

dans un second temps, l’électricité est restituée lorsqu’un dispositif électrique, par exemple une ampoule, est raccordé à l’accumulateur. Le terme « décharge » est alors utilisé.

Un accumulateur est en quelque sorte un « réser-voir d’électricité ». Le mot « batterie » utilisé de nos jours est une forme simplifiée de l’expression « batterie d’accumulateurs » décrivant plusieurs ac-cumulateurs connectés ensemble.

des batteries d’accumulateurs au plomb produites sur le principe inventé par Gaston Planté furent utili-sées dès la fin du XIXe siècle dans des véhicules. de nos jours, nous les trouvons toujours, construits sur ce modèle initial, dans les batteries utilisées par nos automobiles pour leur démarrage. de nombreux perfectionnements ont bien depuis été apportés : l’acide liquide a été remplacé par un gel acidulé, les boîtiers sont en plastique résistant aux chocs, les ac-cumulateurs sont scellés pour éviter les fuites, mais le principe initial reste le même.

Technologie des batteries

Au long de ce dossier, nous allons aborder des no-tions techniques issues de disciplines pouvant être hermétiques à la plupart d’entre nous. Ces disci-plines : l’électronique, l’électricité, l’électrochimie, l’électrotechnique, sont cependant déchiffrables si on les aborde avec quelques clés de compréhension relativement simples. En préalable à la découverte des différentes technologies utilisées dans les véhi-cules électriques, nous vous proposons donc un bref rappel de quelques notions techniques.

Notions d’électrochimie et d’électronique

Les accumulateurs, au même titre que les piles électriques, sont des générateurs électrochimiques. C’est-à-dire qu’ils produisent de l’électricité à partir de réactions chimiques. Ils sont étudiés et dévelop-pés dans une discipline scientifique appelée électro-chimie qui s’intéresse aux relations entre la chimie et l’électricité.

L’électrochimie décrit les réactions, les phéno-mènes qui ont lieu à l’interface de deux systèmes conducteurs, cela à l’échelle des atomes. Ce sont des réactions et phénomènes chimiques couplés à des échanges réciproques d’énergie électrique.

Ces échanges d’énergie, électroniques et ioniques, s’effectuent lors du transfert de charge d’un ou plu-sieurs électrons, produisant de l’électricité.

dans cette discipline sont étudiées des particules élémentaires : atomes, électrons, ions, à une échelle où tous les éléments sont infiniment petits.

Nous verrons ultérieurement l’importance de cette précision, les progrès actuels des accumulateurs étant liés au développement des nanosciences et nanotechnologies, les sciences et technologies à l’échelle de l’atome.

Composition de la matière

Couper une goutte d’eau (H2O) en deux parties aboutit à deux gouttes d’eau plus petites. Si on conti-nue à diviser en deux les gouttes d’eau, il arrive un moment où la plus fine goutte est constituée d’une seule molécule. Couper cette molécule en deux fait que l’on se trouve en présence non pas d’eau, mais des constituants de la molécule d’eau : un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène.

La molécule

La matière, qu’elle soit solide, liquide ou gazeuse se compose de molécules qui sont des groupements d’atomes. Par exemple le sel de cuisine, appelé chlo-

rure de sodium, est formé d’un atome de sodium et d’un atome de chlore. Le chlore et le sodium sont deux éléments simples, au même titre que l’hydro-gène, l’oxygène.

L’atome

L’atome est la plus petite partie d’un élément chimi-que à l’état électrique neutre. Il est susceptible de former des combinaisons avec d’autres atomes pour constituer des molécules. En tant que plus pe-tite partie d’un corps, l’atome a été imaginé dans l’Antiquité. Mais c’est seulement au XIXe siècle qu’il put être étudié et modélisé. On doit à Ernest rutherford, un physicien anglais, d’avoir proposé la représentation de l’atome sous la forme d’un système solaire miniature. Alors que le nombre de molécules possibles nous parait infini, le nombre d’atomes est limité. dans la nature on ne trouve pas plus de 92 corps simples différents. Ils sont représentés dans le tableau périodique des éléments, également appelé table de Mendeleïev ou classification périodique des éléments. Il représente tous les éléments chimiques, ordonnés par numéro atomique croissant et organi-sés en fonction de leur configuration électronique, laquelle sous-tend leurs propriétés chimiques.

La classification des éléments est effectuée à partir de leur nombre de protons, de leur numéro atomique.



électrons libres (charges négatives) tandis que les noyaux des atomes (charges positives) restent fixes dans la structure du métal.

Il s’établit un courant électrique dans un conduc-teur lorsque celui- ci relie un « réservoir » électri-que négatif, donc chargé d’électrons à un « réser-voir » électrique positif, donc chargé d’ions positifs. L’exemple typique est celui d’une pile débitant dans une résistance.

Anode et cathode

Ces deux termes sont utilisés pour définir les points d’entrée et de sortie du courant électrique, les bor-nes ou électrodes, d’une pile ou d’une batterie.

La borne négative (-) d’une pile correspond à l’ano-de où se produit la réaction d’oxydation qui va four-nir les électrons.

La borne positive (+) d’une pile correspond à la cathode où se produit la réaction de réduction qui va consommer les électrons.

dans un accumulateur, ces rôles s’inversent selon que l’appareil débite (actif) ou se charge (passif).

Les cathodes et anodes d’un accumulateur sont donc alternativement positives et négatives selon leur état, charge ou décharge.

Le Lithium (Li), dont on parle beaucoup dans l’uni-vers des batteries, comporte 3 protons et a pour nu-méro atomique 3.

La structure de l’atome

L’atome est constitué d’un noyau atomique (protons, neutrons) autour duquel gravitent des électrons ré-partis sur une ou plusieurs orbites ou couches.Conventionnellement, on représente l’atome comme constitué d’électrons gravitant autour d’un noyau, comme le feraient des satellites autour d’une planète.

• Les électrons sont les particules élémentaires conte-nant la plus petite charge d’électricité négative.

• Les protons sont les particules élémentaires conte-nant la plus petite charge d’électricité positive.

• Les neutrons sont les particules élémentaires élec-triquement neutres.

Le proton a une charge positive égale en valeur ab-solue à celle de l’électron qui, lui, est négatif. A son état normal, un atome est neutre, le nombre d’élec-trons étant égal au nombre de protons.

Les ions

Un ion est un atome ou une molécule dont on a en-levé ou ajouté un ou plusieurs électrons. Ainsi, un atome ou une molécule étant toujours électrique-ment neutre, un ion est soit positif soit négatif. Un ion a donc des propriétés physico-chimiques différentes de la molécule dont il provient. Un ion positif est ap-pelé un cation et un ion négatif est appelé un anion.

Électricité des électrons en mouvement

L’électricité, ou courant électrique, est définie par un flux d’électrons et d’ions. Dans le cas d’un mé-tal conducteur (comme un fil électrique), le cou-rant électrique est constitué par le mouvement des



Nous l’avons vu dans l’introduction historique, les premiers accumulateurs ont été développés en étudiant les réactions du couple électrochimique plomb/acide. Les accumulateurs plomb/acide, de par leur grande simplicité, offrent deux avantages significatifs, leur coût peu élevé et leur capacité à débiter de forts courants. S’ils sont satisfaisants pour les applications de démarrage des véhicules, ils s’avèrent peu performants pour propulser des véhi-cules électriques. Ils sont lourds, se chargent len-tement et supportent mal les décharges profondes, celles-ci réduisant leur durée de vie.

d’autres couples électrochimiques, différent du cou-ple plomb/acide ont donc été étudiés et développés par les chercheurs. Ils sont apparus à partir des an-nées 1950 élargissant progressivement la famille des accumulateurs. dans le secteur des batteries dites de traction, celles utilisées dans les transports, les principaux couples électrochimiques utilisés sont :

Nickel/Cadmium (Ni-Cd)•Nickel/Métal Hydrure (Ni-MH)•Nickel/Zinc (NiZn)•Sodium/Chlorure de Nickel (Zebra)•Lithium/Ion (Li-Ion)•Lithium/Polymère (LiPo)•Lithium/Phosphate (LiFePO• 4)Lithium/MétalPolymère (LMP)•

Les recherches se sont orientées vers des accumu-lateurs pouvant contenir le plus d’énergie possible

Les technologies utili-sées dans les batteries d’accumulateurs

dans le plus petit volume possible tout en étant les plus légers possible et, bien entendu, les moins coû-teux à produire en masse.

Éléments de comparaison entre les différents types d’accumulateurs

Pour mesurer les progrès accomplis en un demi-siècle, il convient de poser quelques éléments techniques de comparaison.

Densité d’énergie

La densité d’énergie d’une batterie permet de dé-terminer la quantité d’énergie électrique qu’elle contient dans un volume ou par unité de poids.

deux unités de mesure sont employées : le Watt heure par litre (Wh/L) ou le Watt heure par kilo-gramme (Wh/kg).

Durée de vie

La durée de vie des accumulateurs est également un critère déterminant pour les comparer. En effet, leurs performances se dégradent avec le temps et certaines technologies sont beaucoup plus enduran-tes que d’autres. Le critère utilisé est le nombre de cycles de charge et décharge. En quelque sorte le nombre de fois où l’on va pouvoir « faire le plein » avant d’avoir à remplacer les batteries.

La durée de vie, un facteur essentiel, atteint ou dépasse 1 500 cycles pour cinq des technologies disponibles.

Traduction en terme pratique pour les utilisateurs : les packs de batteries permettent de parcourir des kilométrages conséquents avant d’être remplacés.dans l’hypothèse où un pack de batteries a été di-mensionné pour effectuer 100 km sur une charge, un chiffre réaliste avec les technologies actuelles, le remplacement du pack sera effectué à 150 000 km si sa durée de vie est de 1 500 cycles.

Rapidité de charge

dans les applications liées à la mobilité, ce facteur prend de plus en plus d’importance. Les technolo-gies les plus avancées acceptent des courants de charge de plus en plus élevés permettant de réduire les temps d’immobilisation des véhicules. Le temps de charge est exprimé en heures ou minutes pour les technologies les plus rapides à alimenter.

© Graphiques Planète Verte



Situation respective des différentes technologies

Les accumulateurs Plomb/Acide

La fabrication des accumulateurs au plomb, d’une grande simplicité, est toujours basée sur la même architecture depuis plus d’un siècle. La réaction chimique entre le plomb et l’acide produit une ten-sion électrique aux bornes.

L’oxyde de plomb réagit avec l’acide sulfurique pour former du sulfate de plomb, des électrons se déta-chent, l’électrode devient positive.

Le plomb réagit avec l’acide et forme du sulfate de plomb en perdant des charges positives. L’autre électrode devient négative.

Si on applique une résistance (par exemple, une ampoule qui chauffe et dégage de la lumière), cette résistance « consomme » l’énergie électrique stockée dans l’accumulateur et le décharge.

Lors de la charge, de l’oxyde de plomb se dépose sur l’électrode positive et du plomb sur l’électrode négative.

Les accumulateurs modernes au plomb, pour s’af-franchir des inconvénients liés à l’acide liquide, sont proposés dans différentes configurations. Ici, par exemple, une batterie étanche, d’une tension de 12 volts, de type AGM (Absorbent Glass Mat), dont les séparateurs sont en fibre de verre et l’électrolyte un gel acide.

Le principe de fonctionnement des batteries au plomb (des électrodes, des éléments séparateurs, un électrolyte, des connexions internes et externes) est similaire dans tous les accumulateurs, quelle que soit leur famille et la technologie utilisée.

Les accumulateurs Nickel/Cadmium (Ni-Cd)

L’accumulateur Nickel/Cadmium a été inventé par le suédois Waldmar Jungner en 1899. Les premières applications industrielles n’apparaîtront que dans les années 1950.

Après avoir été utilisées pour alimenter les satelli-tes dans les années 1960, en complément des pre-miers panneaux solaires, des productions destinées au grand public sont apparues dans les années 1960. Principalement dans l’outillage électro-por-tatif sans fil.

Ce furent les batteries choisies par PSA pour les 106 et autres Saxo dans les années 1990. deux incon-vénients pour ce type d’accumulateur : « un effet mémoire1 » qui nécessite des décharges profon-des régulières et une réglementation européenne contraignante pour les usages du cadmium. En effet le cadmium est très toxique et polluant.

Malgré une durée de vie importante, de l’ordre de 2 000 cycles de charge et décharge, ces accumula-teurs sont peu répandus et réservés à des applica-tions très spécifiques, dans le domaine militaire et industriel.

Pack de batteries Ni-Mh Panasonic des premières générations de Toyota Prius © Panasonic

Les accumulateurs Nickel/Métal Hydrure (Ni-MH)

Les accus Ni-Mh sont apparus au début des années 1990. Ils peuvent stocker deux fois plus d’énergie que les accus au plomb et 35 % de plus que les Ni-Cd à poids égal. Ils n’ont pratiquement pas d’ef-fet mémoire, il suffit d’effectuer une décharge pro-fonde tous les deux ou trois mois pour retrouver la capacité initiale.

Ils sont beaucoup moins polluants que les accus au plomb et Ni-Cd car ils ne contiennent pas de mé-taux lourds.

Les batteries Ni-Mh ont équipé, dans un premier temps, de l’outillage sans fil, des ordinateurs porta-bles et des GSM. Elles propulsaient EV1 de General Motors en 1995 avant d’être choisies par Toyota pour ses voitures hybrides.

Les Ni-Mh sont actuellement le standard pour équi-per les voitures hybrides. Les leaders mondiaux des batteries Ni-Mh pour l’automobile sont les japonais Panasonic et Sanyo. Ils ont livré jusqu’à présent plus de deux millions et demi de packs pour les Toyota Prius, les Lexus, les Honda hybrides.

1effet mémoire : si on met en charge une batterie alors qu’elle n’est pas profondément déchargée, elle va « mémoriser » l’état dans le-quel elle est, par exemple 50 % de décharge et ne déscendra pas en dessous de ce seuil lors du prochain cycle. Il en résulte une perte de capacité et un vieillissement accéléré.

© Planète verte

© Saft



Les accumulateurs Nickel/Zinc (Ni-Zn)

Cette technologie est un peu un paradoxe. Elle dis-pose de nombreux avantages, un faible coût de pro-duction, une disponibilité mondiale importante de la matière première, une bonne énergie massique (± 75Wh/kg) et pourtant, les accumulateurs Ni-Zn ont rencontré beaucoup de difficultés avant de sortir du laboratoire. Connu depuis plus d’un siècle, l’accu-mulateur Nickel-Zinc n’a pas réussi à percer jusqu’à présent dans les accumulateurs de puissance.

Toutes les tentatives de développement, de commer-cialisation ont échoué en raison d’une très faible durée de vie.

La batterie ne pouvait pas se recharger plus d’une cinquantaine de fois, le zinc se transformant en pro-duits solubles.

C’était sans compter sur les progrès de l’électrochi-mie et l’arrivée de nouveaux matériaux à l’échelle nanométrique. Ils sont eux aussi utilisés dans les ac-cumulateurs Ni-Zn de dernière génération. des ap-plications récentes de ces matériaux ont permis de stabiliser l’électrode de Zinc et de réduire considé-rablement les formations de dendrites, des cristaux qui la détériorait. Ces progrès sont l’œuvre d’entre-prises américaines et françaises.

Le coût des batteries Ni-Zn devrait-être pratique-ment deux fois moins élevé que celui des batteries Ni-Mh et de l’ordre du quart du coût des batteries Lithium-ion, d’après les informations délivrées par leurs concepteurs.

Sa non toxicité, un recyclage complet, sûr et écono-mique en fin de vie, renforcent l’intérêt potentiel de la filière Ni-Zn qui entre directement en concurrence avec les accumulateurs Pb-acide, Ni-Cd et Ni-Mh.

Les accumulateurs Ni-Zn dont la durée de vie ap-proche désormais les 800 cycles de charge et dé-charge commencent à être produits industriellement et devraient, selon toute vraisemblance, se trouver dans des VE commercialisés dans les deux prochai-nes années.

Les accumulateurs Sodium/Chlorure de Nickel (Na-NiCl2) Appelés batteries « Zebra »

Comme les trois précédentes familles d’accumula-teurs, cette technologie fait appel au Nickel, dans une combinaison imaginée par des chercheurs dans les années 1970.

Un groupe de scientifiques du CSIR (Council for Scientific and Industrial Research), basé à Pretoria (Afrique du Sud), l’équivalent sud-africain du CNrS, a eu l’idée de combiner du sodium avec du chlorure de nickel. Leur objectif était de développer des bat-teries à haute densité d’énergie, dédiées aux appli-cations demandant beaucoup de puissance, comme les VE, non polluantes et peu sensibles aux condi-tions externes de températures.

Trente ans après, cette technologie est arrivée à ma-turité et sa production industrielle a débuté en 2001. Sa mise au point fut longue et difficile car les Zebra, n’étant pas applicables facilement aux petits formats de cellules, comme celles utilisées dans les appareils portables, les investissements financiers nécessaires se firent attendre. En 1982 une équipe anglaise rejoint les inventeurs et ils créent ensemble Beta r&d Ltd pour élaborer un démonstrateur roulant. Ce fut l’année du premier véhicule équipé d’une batterie Zebra.

Les promoteurs de cette technologie mettaient en avant trois points : la faible quantité de Nickel né-cessaire, 1/3 par rapport aux Ni-Cd et Ni-Mh, d’où un coût matière inférieur, un recyclage total en fin de vie et surtout une durée de vie impressionnante pour l’époque : 2 000 cycles annoncés.

Ces avantages attirèrent l’attention du groupe alle-mand AEG, filiale de Daimler Benz à l’époque, qui investit dans une première unité de production pi-lote basée à Ulm, dans le sud de l’Allemagne.

Pendant les années 1990 furent démontrées l’en-durance et la grande fiabilité des accus Zebra. Plusieurs véhicules équipés franchirent le cap des 100 000 km en 5 ans, sans problème majeur. Pour arriver à ce résultat, parallèlement à la production de cellules et packs, les ingénieurs de Zebra déve-loppèrent une électronique de gestion de la charge/décharge très élaborée, un « Battery Management System », dont le principe sera ultérieurement appliqué aux packs Li-Ion par d’autres entreprises.

Une Toyota Prius transformée en prototype démonstrateur de la technologie Ni-Zn. Mai 2008.

En 1998, l’industrialisation était au point, la ligne pilote d’Ulm produisait une vingtaine de packs par mois et les constructeurs clients de Zebra les pres-saient pour une montée en puissance des cadences de production. Ce fut le moment choisi par la maison mère, AEG, devenu AEG-Electrolux, pour changer de stratégie et décider de vendre l’entreprise. Le repre-neur, un équipementier suisse, MES-dEA, transféra la production à Stabio, dans le sud de la Suisse et décida d’investir dans une unité de production auto-matisée, dimensionnée pour produire 33 000 packs de batteries par an sur une seule ligne de production. L’usine, opérationnelle depuis 2004, est prévue pour accueillir deux autres lignes de production.

MES-dEA a livré des packs de batteries à pratique-ment tous les développeurs de VE européens. de nombreux utilitaires les utilisent, quelques poids lourds également. Ils équipent la Think City dans sa version destinée aux pays d’Europe du Nord. Les packs Zebra y sont très utiles en hiver, leur tempé-rature de fonctionnement élevée permet d’utiliser la chaleur des batteries pour réchauffer l’habitacle.Eclipsée dans les médias par les Li-Ion et autres Ni-Mh, la technologie Zebra, peu connue, est tech-nologiquement éprouvée. Elle dispose de nombreux avantages retenus par les concepteurs de VE à voca-tion industrielle.



La famille des batteries au Lithiumdans notre quotidien, les avantages des accumula-teurs à haute densité énergétique à base de Lithium se sont généralisés. Ce sont eux qui alimentent la grande majorité des téléphones mobiles, des ordina-teurs portables, des lecteurs MP3, des GPS...Ils ont permis une évolution considérable des outils de mobilité en leur offrant une grande autonomie et une facilité d’utilisation accrue. Ils s’appliquent désormais aux véhicules électriques.

Les électrochimistes se sont orientés vers ce métal à cause de ses caractéristiques physiques. Le lithium est le métal le plus léger, avec une densité égale à la moitié de celle de l’eau et il dispose d’un grand potentiel électrochimique.

Dès la fin des années 1970, les premiers prototypes ont été conçus avec une électrode négative à base de lithium métallique (filière lithium métal). Cepen-dant, cette technologie s’est heurtée à des problèmes liés à une dégradation de l’électrode au cours des charges successives. C’est pourquoi, vers le début des années 1980, des recherches ont été entreprises sur un nouveau type d’électrodes à base d’oxydes mixtes de lithium et de carbone, beaucoup moins réactifs. Ces derniers dégagent des ions lithium.

Naissance de la filière lithium-ion

Les industriels japonais se sont rapidement imposés en tant que leaders dans le domaine. déjà fabricants

d’équipements portables, ils ont considéré la source d’énergie comme faisant partie des composants stra-tégiques de ces équipements.

C’est ainsi que Sony, qui n’était pas à l’origine fa-bricant d’accumulateurs, a décidé de mobiliser au cours des années 1980 des ressources considérables afin de faire progresser la technologie et la rendre industrialisable.

Au début des années 1990, poussée par la crois-sance du marché des équipements portables, la R&D s’est intensifiée sur les accumulateurs au lithium.

Les accumulateurs Lithium-Ion

Le principe de fonctionnement d’un accumulateur au lithium est similaire selon qu’est utilisée une électrode négative de lithium métallique ou à base de carbone.

Dans ce deuxième cas, la filière technologique est appelée lithium-ion, car le lithium n’est jamais sous forme métallique dans l’accumulateur, et fait le « yo-yo » entre les deux composés d’insertion du lithium contenus dans les électrodes positive et négative à chaque charge ou décharge de l’accumulateur.

Prototype de batteries Li-Ion pour VE en 2005 - Argonne laboratory USA. © Argonne laboratory

En février 1992, Sony annonçait à la surprise générale le lancement immédiat de la fabrication industrielle d’accumulateurs lithium-ion. Ces premiers accumula-teurs offraient des performances limitées (90Wh/kg).

depuis, celles-ci se sont notablement améliorées (plus de 180Wh/lkg en 2004), grâce d’une part aux progrès technologiques réalisés (diminution de la part inutile dans le poids et le volume des accumu-lateurs) et d’autre part à l’optimisation des perfor-mances des matériaux.

La charge de ces accus doit s’effectuer dans des conditions bien particulières pour éviter les sur-chauffes. Ont donc été intégrés des circuits élec-troniques de protection afin d’éviter les surcharges et limiter le courant lors d’éventuels courts-circuits.Sans cela, les accus Li-Ion peuvent prendre feu ou exploser.

Principe de fonctionnement d’un accumulateur au lithium

En cours d’utilisation, donc lors de la décharge de l’accumulateur, le lithium relâché par l’électrode négative sous forme ionique Li+ migre à travers l’électrolyte conducteur ionique et vient s’intercaler dans le réseau cristallin du matériau actif de l’élec-trode positive (composé d’insertion de lithium de type oxyde métallique).



Le passage de chaque ion Li+ dans le circuit interne de l’accumulateur est exactement compensé par le passage d’un électron (e-) dans le circuit externe, générant ainsi un courant électrique.

La densité d’énergie libérée par ces réactions est proportionnelle à la différence de potentiel entre les deux électrodes et à la quantité de lithium qui se sera intercalée dans le matériau d’insertion.

Elle est également inversement proportionnelle à la masse totale du système. Or le lithium est en même temps le plus léger et le plus réducteur des métaux : les systèmes électrochimiques qui l’emploient peu-vent atteindre des tensions de 4 V, contre 1,5 V pour les autres systèmes.

Il permet ainsi aux batteries au lithium d’offrir les plus importantes densités d’énergie massique et volumique.

Les accumulateurs Lithium/ MétalPolymère (LMP)

deux grandes sociétés nord-américaines sont à l’origine des premières publications sur le sujet dès 1997. A l’occasion d’EVS14*, 3M et Hydro-Québec annonçaient conjointement que les travaux accom-plis en laboratoire sur les premiers accus à « état solide » étaient suffisamment avancés pour franchir le stade de la mise en production, cela dès l’année suivante. Ce fut l’acte de naissance officiel d’une technologie prometteuse : les batteries lithium métal polymère (LMP) à électrolyte solide.

Trois ans plus tard, lors d’EVS 17 à Montréal en Octobre 2000, la société Avestor, filiale commune d’Hydro-Québec située à Bourcheville (Québec) et d’un groupe pétrolier américain, Kerr-McGee Corporation, présentait une voiture électrique équi-pée de LMP à l’essai.

Les conférenciers d’EVS-17 et les médias purent essayer une Think City, alimentée par la batte-rie LMP d’Avestor, sur le circuit Gilles-Villeneuve.

Avestor et Think, constructeur norvégien en ce temps là sous la houlette de Ford, supportés par le Centre d’Expérimentation des Véhicules Électriques du Qué-bec (CEVEQ) réalisaient là une première mondiale.

L’entreprise canadienne revendiquait, à ce moment là, le leadership mondial de la technologie LMP et envisageait de lancer commercialement ses batteries pour l’automobile en 2004.

C’était sans compter les actionnaires d’Avestor. Ils arrêtèrent la production des LMP pour l’automobile afin de s’orienter vers des applications industrielles. Le groupe pétrolier Kerr-McGee réussit ainsi à cou-ler Avestor avant de disparaître à son tour, absorbé par Anadarko Petroleum.

Malgré la livraison de plus de 20 000 batteries à des clients prestigieux comme AT&T, l’usine d’Avestor a fermé ses portes le 31 octobre 2006, signant l’arrêt de la filière canadienne des batteries LMP.

Parallèlement, en France, en décembre 2001, la société Batscap voyait le jour. Cette filiale commune du Groupe Bolloré (80 %), d’EdF (20 %), consacre également ses activités au développement de batte-ries lithium métal polymère ainsi qu’à la production de supercondensateurs.

Une application publique des LMP à hautes perfor-mances de BatScap fut présentée au public en 2005, lors du salon de Genève : la première BlueCar. Ce démonstrateur affichant une autonomie de plus

de 200 km, selon les conditions d’utilisation, une vitesse de pointe de 125 km/h, fut l’objet d’un grand intérêt lors de sa première présentation.

LMP Batscap, la technologie

La cellule électrochimique élémentaire de la bat- trie Lithium Métal Polymère (batterie LMP) est basée sur l’utilisation de quatre composants :

l’anode est constituée par un film de lithium métal ;•l’électrolyte est un film polymère additivé pour •faciliter le passage des ions lithium ;la cathode est constituée d’un film polymère •contenant un composé d’insertion, réceptacle des ions lithium à la décharge ;une feuille métallique sert de collecteur de courant.•

L’électrolyte polymère solide est du polyoxyéthylène (POE) dans lequel sont dissous des sels de lithium. Pour obtenir une conductivité optimale, la tempéra-ture de ce polymère doit être maintenue entre 80°C et 90°C, ce qui impose un conteneur étanche isolant.Les LMP Batscap sont, comme les Zebra, des bat-teries chaudes, ne fonctionnant pas à la température ambiante.

La gestion électronique et thermique de la batterie est assurée par une carte électronique intégrée. L’en-semble de la batterie est constitué d’éléments légers

© Planète verte



* EVS14 : International Electric Vehicle Symposium à Orlando, en Floride (USA)

et solides, il n’y a pas de liquide. La LMP BatScap n’est pas polluante, elle ne contient ni métaux lourds ni liquides toxiques et son recyclage a été étudié dans le cadre du programme européen Brite.

Il n’y a pas d’effet mémoire, on n’a donc pas besoin de vider complètement l’accumulateur avant de le recharger.

Le Groupe Bolloré reprend Avestor et crée Bathium au Canada

Suite à la faillite d’Avestor, le Groupe Bolloré a repris les actifs de cette entreprise en 2009. Il annonce un investissement de 120 millions de dollars canadiens afin de tripler la capacité de production annuelle de l’usine de Boucherville. La nouvelle filiale, créée pour l’occasion, se nomme Bathium.

Sa capacité de production de plusieurs milliers de batteries par an devrait alimenter les chaînes qui fa-briqueront la nouvelle BlueCar, développée conjoin-tement par Bolloré et Pininfarina. Une seconde uni-té de production est en chantier à Ergué-Gabéric, en

Bretagne. Le groupe Bolloré est désormais le seul promoteur mondial de la technologie Lithium Métal Polymère.

Les accumulateurs Lithium/Polymère (Li-Po)

La technologie Lithium Polymère est apparue au dé-but des années 2000. Les chercheurs ont développé cette variante afin de limiter les risques inhérents aux Li-Ion, principalement l’instabilité thermique lors de la charge. dans les Li-Ion, un emballage rigide presse les électrodes et le séparateur ensem-ble, alors que dans les LI-Po, cette pression externe n’est pas nécessaire car les feuilles d’électrodes et du séparateur sont laminées ensemble.

Les composants internes des LI-Po sont :Cathode• : LiCoO2* ou LiMnO4**

Separateur• : Polymère conducteur + ElectrolyteAnode• : composite de Carbone + Lithium

Pour appréhender les avantages majeurs des accus Li-Po, il est nécessaire de revenir sur la technologie

des Li-Ion et plus particulièrement sur les formats physiques des cellules de base. Un accu Li-Ion ty-pique est composé d’un conteneur en acier, scellé, rempli d’un électrolyte liquide.

dans ce conteneur, cylindrique ou rectangulaire, baignent les deux bandes d’électrodes, enroulées en spirale ou disposées en couches à plat, séparées par une bande isolante microporeuse. Lors d’une solli-citation forte en courant ou lors d’une surcharge, la température interne et la pression augmentent.

La forme cylindrique offre alors le plus de résistance pour résister à cette pression.

Cependant, cette forme représente un inconvénient. Lors de l’organisation de packs multicellules, des espaces vides inévitables subsistent, représentant une perte de volume. La densité d’énergie conte-nue dans les packs est ainsi inférieure à la densité d’énergie des cellules.

Les batteries Li-Po, de par le fait qu’elles n’ont pas d’électrolyte liquide, ne nécessitent pas de cylindre d’acier. L’électrolyte est un film plastique, un poly-mère, imprégné d’un gel, comme les électrodes qui sont également déposées sur des films souples.

Cela permet de produire des cellules parallélépi-pédiques, les anglo-saxons disent prismatiques. En permettant de remplir l’espace vide laissé par © Planète Verte

les accus cylindriques, à volume égal, un pack de cellules prismatiques permet un gain de l’ordre de 20 % en énergie.

Le contenant externe des Li-Po est une enveloppe métallique souple pouvant céder à la pression. Cette configuration évite l’inconvénient majeur des Li-Ion « standard » : l’augmentation de pression interne et l’éclatement d’une batterie avec toutes les consé-quences que cela peut avoir. Tout en ayant des den-sités d’énergie supérieures, les Li-Po sont donc égale-ment plus sûres que les Li-Ion.

* Complexe chimique de lithium et d’oxyde de cobalt** Complexz chimique de lithium et d’oxyde de manganèse



Les premières batteries Li-Po commercialisées le fu-rent pour alimenter des téléphones , des ordinateurs portables et des modèles réduits radio commandés.Produites en cellules de petites tailles dans un pre-mier temps, elles ont vu leur surface progressive-ment augmenter pour atteindre actuellement 50 x 40 cm pour les plus grandes.

Les accumulateurs Lithium/Fer/Phos-phate (LiFePO4)

Cette technologie, la plus récente à avoir été déve-loppée et industrialisée, est directement issue des recherches effectuées sur les nano-matériaux. Les premiers travaux sur le LiFePO4 ont débuté en 1996 à l’Université du Texas. Un groupe de chercheurs dirigés par le professeur John B. Goodenough est à l’origine de la découverte des propriétés du phos-phate de fer + lithium appliqué aux électrodes. dans cette technologie, les cathodes standard sont remplacées par du phosphate de fer, moins onéreux, ne contenant pas de métaux rares, elle est non toxi-que. Cette composition de cathode a une grande stabilité thermique, elle ne relâche pas d’oxygène, ce qui la rend plus sûre.

Le principal problème à résoudre était la faible conductivité électrique du matériau. Il fut résolu, en partie, en réduisant la taille des particules et en combinant du LiFePO4 avec du carbone comme matériau conducteur. Les chercheurs du MIT (Mas-sachusetts Institute of Technology) expérimentèrent des nano-carbones et démontrèrent une augmenta-tion significative de la conductivité.

A partir de ces découvertes combinées, d’autres bre-vets furent déposés, par l’Université du Texas en 1996, par l’Université de Montréal , par le CNrS entre 1999 et 2000. En 2001, des chercheurs de l’Université de Montréal fondèrent l’entreprise Phostech Lithium, suite à l’obtention des droits pour la production et la vente du phosphate métallique lithié.

Une batterie à base LiFePO4 commercialisée par Porsche fin 2009. Une option alternative aux conventionnelles batteries plomb.

Pour résoudre les problèmes liés à la production en volume, une société allemande, Süd-Chemie, dé-pose le brevet d’un procédé de synthèse de LiFePO4 par voie liquide. Pendant que Phostech Lithium dé-bute son activité au Québec, en 2004, Süd-Chemie débute la production de LiFePO4 à l’échelle pilote en Europe.

Les deux concurrents se sont ensuite alliés, en 2008 Phostech Lithium devient une filiale à 100 % de Süd-Chemie.

Le matériau de base des batteries LiFePO4 est dé-sormais produit à l’échelle industrielle par une dizaine d’autres entreprises ayant rejoint Süd- Chemie dans cette technologie. Il est utilisé par une dizaine de fabricants de batteries dont Saft, BYd, LTC-Gaïa, A123, Valence Technologies. Ces produc-teurs exploitent le principal avantage des LiFePO4 sur les autres technologies au lithium : leur très grande stabilité thermique qui réduit les risques.



Professeur John B. Goodenough - Université du Texas - Inventeur des LiFePO4

Les performances des batteries de nouvelle génération doivent beaucoup à l’une des innovations majeures du début du XXIe siècle : les nanotechnologies. Apparues dans les années 1980, les nanosciences étudient les structures et les phénomènes observés à l’échelle du nanomètre, dimension d’une grosse molécule 10 000 fois plus petite que le diamètre d’un cheveu.

Les nanotechnologies englobent les moyens d’obser-vation et de manipulation de la matière à cette échel-le, à laquelle certains phénomènes physiques diffè-rent de ceux des échelles macroscopiques auxquelles la mécanique classique s’applique principalement.

Nanosciences et nanotechnologies permettent donc de mieux comprendre les phénomènes qui se pro-duisent à l’échelle des molécules et, en conséquen-ce, de concevoir des nanomatériaux qui désignent ou bien des objets dont une dimension au moins (par exemple l’épaisseur) ne dépasse pas quelques nanomètres, ou bien des structures dont l’élabora-tion à cette même échelle permet d’obtenir des pro-priétés macroscopiques remarquables.

Naissance de la « nano électrochimie »

Les nanomatériaux jouent un rôle prépondérant dans le stockage d’énergie en amplifiant le proces-sus de conversion électrochimique et en optimisant la taille de la structure des composants.

La très grande finesse des nanomatériaux permet de multiplier par des facteurs importants les surfaces d’échange entre électrodes et électrolytes.

Nanotechnologies et batteries de nouvelle génération

Par exemple : des matériaux pour cathode à très haute densité sont composés de particules dont les diamètres sont sur une échelle de 10 à 100 nanomè-tres. Ces particules initiales sont ensuite organisées en matériaux dont la taille des éléments s’échelon-ne de 5 à 15 microns d’épaisseur. A la manière des cellules prismatiques qui permettent d’optimiser la place dans un pack de cellules en remplissant les vides, les nanomatériaux permettent une densité de matière beaucoup plus importante, donc d’énergie stockée, par unité de volume.

des matériaux microporeux permettant de réduire les distances à franchir par les ions de lithium, en passant de quelques microns à quelques nanomè-tres, ont vu le jour. Cela entraîne une plus grande rapidité dans les processus de charge et décharge.

Production industrielle de nanomatériaux pour batteries

Les industriels du secteur, en amont des produc-teurs de cellules sont des producteurs de compo-sants pour électrodes et pour films séparateurs. Ils sont confrontés à un formidable défi : produire en quantité industrielle, au coût le plus faible possible, avec la plus grande régularité possible, des poudres ou des films composés de matière à l’échelle du na-nomètre. Cela consiste à déposer des particules de carbone amorphe, ou d’un autre matériau similaire, en couches de quelques nanomètres d’épaisseur sur un support lui aussi extrêmement fin.

La transition entre les travaux des laboratoires de recherche et la production industrielle d’électrodes nano structurées s’est accélérée depuis le début des années 2000 et actuellement de nombreux indus-triels proposent des cellules produites en grandes séries. L’une des applications les plus importantes en volume est la diffusion depuis 2006 - 2007 de batteries utilisant un nano composite de lithium et phosphate de fer : les LiFePO4.



Les enjeux industriels

Transfert de valeur

dans les véhicules thermiques, une part importante de la valeur est concentrée dans la chaîne de traction, le moteur et ses périphériques. Les équipementiers fournissent la grande majorité des autres pièces, train roulant, équipement intérieur, électronique, les constructeurs restant concentrés sur la cellule, le design et bien entendu la motorisation.

L’avènement des véhicules électriques et hybrides bouleverse ce processus. Les packs de batteries chargés de stocker l’énergie, et non plus les moteurs, sont désormais situés au centre de la valeur globale des véhicules. Cela a pour conséquence le transfert de cette valeur vers des équipementiers spécialisés : les fabricants de batteries de nouvelle génération.

De nouveaux acteurs dans le paysage automobile mondial : les producteurs de batteries

Un nouveau secteur industriel est en train de naître sous nos yeux, en temps réel. des unités de production géantes sortent de terre, pour produire en volume suffisant les packs de batteries indispensables aux millions de véhicules électriques et hybrides projetés dans le monde entier. des sommes colossales sont investies partout, en Amérique, en Europe, en Asie.

L’enjeu est de taille : il s’agit d’adapter des technolo-gies légères, initialement prévues pour les marchés de la mobilité personnelle (téléphonie mobile, informa-tique portable, lecteurs MP3, GPS, vélos à assistance électrique, etc.), aux nouveaux besoins du secteur de l’automobile.

La présence des géants de l’électronique grand public comme fournisseurs de solutions d’énergie

embarquée n’est pas une surprise, ils disposent des savoir-faire nécessaires. L’innovation vient, comme à chaque évolution ou rupture technologique, d’une kyrielle de start-up spécialisées dans le stockage d’énergie électrique. La compétition est intense entre une vingtaine d’entreprises qui ont su mobili-ser à temps les moyens techniques et humains néces-saires à la r&d et, surtout, rassembler les capitaux nécessaires au lancement d’unités de production à grande échelle.

Les technologies mises en œuvre cherchent à stoc-ker le plus d’énergie possible, au moindre poids, dans le volume le plus faible. Pour cela, les efforts des concepteurs se sont portés essentiellement sur la famille des batteries Li-Ion. Les fabricants concen-trent leurs travaux sur la production en grande série de packs de batteries dont la sécurité de fonctionne-ment est garantie, disposant d’une longue durée de vie, le tout à un prix acceptable par le marché. Les plus avancés livrent actuellement des batteries d’une durée de vie atteignant 3 000 cycles de charge et dé-charge, soit ± 300 000 km. Pour illustrer la situation actuelle, nous avons regroupé les fournisseurs dans des tableaux qui montrent leur répartition par tech-nologies et par pays.

Les producteurs de batteries au Lithium, par technologie

Répartition par pays



Qui travaille avec qui ?

Les constructeurs de véhicules électriques et hybri-des, les majors comme les start-up, ont établi de multiples accords avec les équipementiers fournis-seurs de batteries.

Certains comme Toyota avec Panasonic, dès la fin des années 90, d’autres en investissant dans des filia-les communes avec les groupes d’électronique, c’est le cas de Nissan et NEC pour la création d’Automo-tive Energy Supply Corp. Plus récemment, le groupe Fiat, en prenant le contrôle de Chrysler, a bénéficié des accords passés en 2008 par le groupe américain avec A123 Systems, une entreprise en pointe dans ce secteur. L’équipementier Bosch a pour sa part choisi une alliance avec le géant coréen Samsung. Ils ont créé ensemble une co-entreprise spécialisée dans les batteries Li-Ion, SB LiMotive.

Les petits constructeurs ne sont pas en reste, les nor-végiens de Think, pour assurer leur approvisionne-ment, ont ouvert leur capital à un autre producteur des USA : Enerdel. Cas particulier pour un géant chinois de l’électronique, également producteur de batteries, BYd a choisi de devenir son propre constructeur en faisant l’acquisition d’unités de pro-duction automobile.

Les alliances entre les constructeurs automobiles et les producteurs de batteries. Tableau de synthèse au 1er décembre 2009.

Les moyens mis en œuvre et les perspectives

C’est par centaines de millions de dollars ou d’euros que se chiffrent les montants investis dans cette in-dustrie naissante. Les investisseurs privés sont ap-puyés par des programmes gouvernementaux ambi-tieux qui visent à permettre aux industries nationales de préserver, voire de créer des emplois.

• En Europe, la Commission Européenne envisage de répartir 5 milliards d’euros dans un programme pluri-annuel pour accélérer les innovations dans le secteur automobile, spécifiquement sur les progrès environnementaux, un programme appelé « The Green Car Initiative ».

• En France, le programme de soutien aux véhicules « décarbonés » est financé à hauteur de 57 millions d’euros par le fonds démonstrateur de l’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (AdEME). Le gouvernement a prévu un programme d’achats publics de 100 000 véhicules décarbo-nés dans les quatre ans à venir. Pour les véhicules électriques, 5 millions de bornes de recharge seront également installées sur tout le territoire en trois ans (5 à 600 000 en 2010).

• Le gouvernement fédéral allemand s’est fixé pour objectif de faire circuler un million de véhicules électriques et de véhicules hybrides rechargea-bles dans les rues allemandes d’ici 2020. Ce sont plus de 480 millions d’euros qui ont été alloués au financement de la recherche dans le domaine de la mobilité électrique. des prêts à taux réduit et des subventions sont proposés pour mettre au point de nouvelles technologies de batteries et des motorisa-tions hybrides.

• Au Portugal et en Angleterre, ce sont deux usines de production de batteries qui ont été annoncées par l’alliance renault-Nissan. Les capacités annuelles de chacune des usines devraient atteindre 60 000 unités par an. L’investissement annoncé au Portugal est de 250 millions d’euros, le gouvernement anglais pro-jetant de soutenir un second projet d’usine à hauteur de 136 millions d’euros. L’alliance renault-Nissan poursuit ses discussions avec d’autres gouvernements européens afin d’identifier d’autres sites de produc-tion en fonction de la demande en batteries.

• Au Canada, l’Etat d’Ontario soutient le producteur de batteries Electrovaya par une subvention de 16,7 millions de dollars sur un programme de 94,8 mil-lions de dollars.

• Les Etat-Unis, après la longue période d’hésitation des années Bush, se sont lancés à leur tour dans un programme massif de soutien au développement de véhicules électriques. D’un montant de 2,4 milliards

de dollars, il vise à la création de dizaines de mil-liers d’emplois innovants. Sur ces 2,4 milliards de dollars, l’essentiel (1,5 milliard) financera les efforts de recherche des industriels en faveur des batteries et composants ainsi que le recyclage.

Les principaux bénéficiaires de ces fonds, d’ores et déjà opérationnels, sont :- Johnson Controls/Saft - 299,2 M$- A123 Systems - 249,1 M$- dow Chemical associé à Kokam - 161 M$- la filiale américaine du coréen LG Chem, Com-pact Power, producteur des batteries de la future GM Volt - 151,4 M$- Enerdel - 118,5 M$- Général Motors à hauteur de 105,9 M$.

• D’autres pays comme le Japon et la Chine accom-pagnent l’émergence de cette nouvelle industrie par des programmes ciblés sur les aides directes aux usagers, le développement des infrastructures, leurs industriels ayant déjà lourdement investi sur les tech-nologies de batteries et les unités de production.

Ce parcours dans l’industrie naissante des batteries à hautes performances n’est pas figé. Chaque mois apporte son lot d’innovations, un processus plané-taire est en marche. Il ne se limite pas au stockage de l’énergie car sont également concernés les mo-teurs, l’électronique de commande, l’optimisation de la gestion des consommations, les structures des véhicules.



Nano structure d’oxydes métalliques pour électrode de batterie © press photo BASF



Comment sont fabriqués les packs de batteries ?

Des matériaux aux cellules

Accumulateurs au plomb

Cette technologie ancienne est parfaitement maîtri-sée dans des unités de production de grande taille. des évolutions récentes dans les procédés de fabri-cation sont désormais utilisées. Ce sont les batteries étanches à électrolyte gélifié et les batteries étanches à électrolyte absorbé dans un séparateur en micro-fibre de verre (technologie AGM). Récemment, des batteries à bornes frontales permettant un câblage optimisé ont vu le jour. Elles sont complétées par les batteries « plomb pur » à plaques fines et les batte-ries en plaques spiralées à haut rendement énergé-tique. L’automatisation des lignes de montage, les procédés modernes de fabrication en continue, des grilles et des plaques, les recherches sur les maté-riaux sont les moteurs actuels des progrès des batte-ries plomb acide.

Accumulateurs Ni-Cd, Ni-Mh et famille des Lithium

Les procédés de fabrication des batteries au Lithium sont très proches de ceux utilisés dans la production des cellules Ni-Cd et Ni-Mh. Cependant, la haute réactivité des composés chimiques utilisés dans les cellules au Lithium impose des processus bien spécifiques. A titre d’exemple, nous allons détailler la décomposition des étapes de la production de cellules au Lithium.

Revêtement des électrodes

La production des électrodes fait appel à des tech-nologies similaires à celles utilisées dans l’indus-trie des semi-conducteurs, de l’optique : les cou-ches minces. A l’échelle microscopique des dépôts

effectués, pour éviter les impuretés, les machines fonctionnent sous atmosphère contrôlée, proche du vide et produisent des rouleaux de composants.

Les anodes et cathodes, de formes similaires, sont fabriquées de manière équivalente sur des équipe-ments identiques ou très proches.

Les matériaux d’électrodes, des poudres mixées, sont déposés sur les deux faces d’un film métallique qui sert de collecteur de courant. Collecteur de cou-rant qui sera ensuite raccordé aux bornes. L’épais-seur du dépôt est contrôlée en continu, compressée et séchée. On obtient ainsi des rouleaux de feuilles d’électrodes dans des largeurs standards de 50 cm à plus d’un mètre. Ces feuilles sont ensuite découpées pour être par la suite assemblées en cellules. Cette étape de découpe est extrêmement précise pour éviter des variations de taille infimes pouvant générer des courts-circuits après assemblage.

Assemblage des cellules

dans les usines les plus performantes, l’assemblage est effectué par des installations robotisées. Cepen-dant, certains petits producteurs, dans des pays ou le prix de la main d’œuvre est faible, continuent à effectuer les étapes d’assemblage à la main. La pre-mière étape du procédé d’assemblage consiste à coupler anode, film séparateur et cathode. Ensuite, selon le type de cellule, prismatique ou cylindrique, cet assemblage, qui reste souple, est plié ou enroulé avant d’être incorporé dans une enveloppe résistan-te. Les électrodes sont raccordées aux connecteurs externes puis l’électrolyte est rajouté. Les dernières

© Nexeon

© Nexeon

© Exxon chimicals

étapes sont : le marquage pour identification, des cycles de charge/décharge et un test de validation.

Bien entendu, les procédés de fabrication, spécifi-ques à chaque technologie et producteur, sont pro-tégés par de multiples brevets.

Les cellules obtenues, quelle que soit la technolo-gie, délivrent à l’unité des tensions et puissances trop faibles pour alimenter les moteurs. Elle vont donc être logiquement raccordées électriquement entre elles et assemblées mécaniquement dans des modules.

Des cellules aux modules et packs

Le premier niveau d’assemblage des cellules est la production de modules indépendants, ces derniers étant ultérieurement incorporés dans des packs.deux contraintes principales s’imposent : les rac-cordements électriques et l’assemblage mécanique.

• Les raccordements électriques doivent prendre en compte les états successifs des modules, lors des charges et décharges. Ils permettent, grâce à l’ajout de composants électroniques spécifiques, de mesu-rer les courants entrant et sortant dans chaque cel-lule, de les mémoriser pour ensuite les transmettre à une « unité centrale », le gestionnaire de batteries, couramment appelé le BMS (Battery Management Systems).

Le BMS est indispensable pour mémoriser le nom-bre de cycles de charge et décharge, donc le vieillis-sement des modules, quelle que soit la technologie utilisée.


Il incorpore également des fonctions de gestion des courants lors de la charge et délivre les informations nécessaires pour l’affichage au tableau de bord du véhicule. Bien entendu, des protections contre les court-circuits internes et externes sont intégrées aux modules.

L’assemblage mécanique des modules

Il est fondamental que les modules soient assemblés de manière rigide et durable dans le temps, les élé-ments mécaniques devant résister aux chocs et aux vibrations inhérents à la circulation des véhicules. Les boîtiers ont pour fonction de protéger les cellu-les de l’humidité, des poussières et des intrusions de tout type. de plus, ils doivent pouvoir résister en cas d’accident et être facilement interchangeables.

des technologies comme les Zebra et les LMP né-cessitent des températures de fonctionnement spéci-fiques et stabilisées, leurs modules disposent donc de fonctions de chauffage, ce qui rend plus complexe leur mise en œuvre. Les poids et volumes, les plus fai-bles possibles pour l’ensemble du pack, imposent le choix d’alliages légers, de matières plastiques rigides ou de matériaux composites pour les contenants.

dernières contraintes pour les producteurs, des normes de production très sévères pour limiter les coûts, automatiser les chaînes d’assemblage et assu-rer un contrôle qualité en continu sur l’intégralité du processus de production.

Module de batterie Ni-Mh Nilar

Un pack de batteries présenté par Renault

Des packs au système d’énergie embarquée

Nous le voyons, les batteries de nouvelle génération ne sont pas seulement et uniquement de simples bat-teries. Elles intègrent toutes les fonctions nécessaires à un fonctionnement optimal, en toute sécurité.

des caractéristiques comme une interface utilisateur claire et efficace, la mémorisation de tous les para-mètres d’utilisation sont apparues récemment. Les câblages et connecteurs électriques ont également notablement évolué, offrant encore plus de fiabilité, donc de sécurité dans le fonctionnement.

Tous ces éléments, cellules, modules et électroni-que/informatique associée, packs, câbles, BSM, composent ce qui est appelé « système d’énergie embarquée ».

Ces systèmes nécessitent un savoir-faire très spécifi-que élaboré par des entreprises spécialisées du sec-teur, une multitude de start-up innovantes proposant des solutions plus ou moins standardisées à destina-tion des constructeurs.

d’un autre côté, l’ensemble des autres composants des véhicules électriques a également fortement évolué en cinq ans. Moteurs optimisés pour consom-mer le moins possible, pilotés par électronique, ordinateurs de gestion de l’énergie en temps réel, ces composants sont progressivement standardisés au niveau des échanges d’informations.

Ils utilisent pour cela le CANbus, standard de com-munication automobile entre composants informa-tisés. Ce standard s’applique désormais, également, aux packs de batteries. des producteurs, comme la société américaine Valence Technology, propo-sent depuis 2009 des packs munis d’une interface CANbus et un kit de programmation.

Système d’énergie embarquée de la Volt et son BMS. On aperçoit les cellules prismatiques Li-Po. Celles-ci sont produites par une filiale commune au géant coréen LG et GM



Question de courants, de la prise électrique au moteurLes caractéristiques techniques des véhicules élec-triques sont décrites par les unités de mesure spé-cifiques à l’électrotechnique. Ces unités de mesure, différentes de celles utilisées pour les véhicules ther-miques, peuvent poser quelques problèmes de com-préhension. Pour décrypter les fiches techniques et comparer les caractéristiques des VE, quelques points de repère sont indispensables.

Charge des batteries et raccordement au secteur

Les batteries des VE sont rechargeables sur des prises électriques domestiques aux normes européennes.Celles-ci fonctionnent en France sous une tension de 220 Volts (V) et délivrent une intensité maximum de 16 ou 32 Ampères (A). Les prises de 16 A sont les prises standard, celles de 32 A sont spécifiques aux appareils gros consommateurs comme les fours et plaques électriques. La puissance maximum* déli-vrée est exprimée en Watt (W) ou kilowatts (kW).

La durée d’utilisation exprimée en heures génère une consommation exprimée en Watt par heure (Wh) ou en kilowatt par heure (kWh).

La charge des batteries s’effectue pendant une durée déterminée par leur construction et leur technologie. Les batteries au plomb nécessitent des charges lentes, de 6 à 10 heures, les technologies les plus récentes comme le Ni-Cd, les Li-Ion ou les Zebra, acceptent des charges plus rapides, de 4 à 8 heures.

Le calcul de la consommation électrique s’effectue à partir des caractéristiques du chargeur incorporé au véhicule. Par exemple, un VE léger équipé d’un chargeur de 1500 W va consommer pour une char-ge complète de 7 à 12 kWh. Cette variation est fonc-tion de la capacité des batteries.

Capacité des batteries

La capacité d’une batterie est exprimée en ampère-heure (Ah), c’est la quantité d’électricité qu’elle peut fournir. En fonction de sa tension en volts, l’énergie stockée est calculée par la formule : Ah x V = Wh (ou kWh)Par exemple, un pack de batteries de 210 Ah sous 48 Volts fournit 10 kWh, un autre pack de 210 Ah sous 72 Volts fournit 15 kWh. Sur un plan pratique, cette puis-sance embarquée va déterminer l’autonomie du véhi-cule, en fonction de la puissance du moteur, du poids total du VE, de la vitesse et du profil du parcours.

Puissance des moteurs

La puissance des moteurs est exprimée en kW. Les chiffres indiqués en règle générale expriment la puissance nominale, par exemple 4 kW pour les quadricycles légers et une fourchette de 8 à 30 kW pour les VL. dans certains cas, les constructeurs in-diquent également la puissance en crête du moteur. Il s’agit d’une valeur maximum admissible pendant quelques secondes utilisée pendant les démarra-ges ou pour gravir une pente. dans tous les cas de

figure, la puissance du moteur est régulée par un variateur électronique, lui-même commandé par la pédale d’accélérateur.

Consommation au kilomètre

Pour comparer les consommations électriques des VE d’une même catégorie, la solution est de calcu-ler leur consommation électrique par kilomètre par-couru. Celle-ci est exprimée en Wh par kilomètre ou en kWh par kilomètre.

La consommation est, bien entendu, fonction du poids du véhicule, de sa charge, du type de parcours et de la vitesse moyenne. Les consommations sont donc exprimées par des valeurs dans une fourchette.

Elles sont de l’ordre de 0,08 à 0,15 kWh/km pour les véhicules de la catégorie des quadricycles et oscillent entre 0,10 et 0,25 kWh/km pour les mini voitures.

Pack Li-Ion autonome Mastervolt et son électronique de commande, son BMS

* La formule de calcul est : W = V x ASoit 220 x 16 = 3520 W ou 3,52 kW pour une prise classique de 16A.1 kW = 1000 W

** base de calcul tarif EDF 2009, heures creuses 0,0565 le kWh ttc, heures pleines 0,0960 le kWh ttc.

Une simple extrapolation pour 100 km permet de comparer le poste consommation en énergie des véhicules électriques aux véhicules thermiques.

Les voitures urbaines électriques, des plus petites aux plus performantes consomment de 8 à 20 kWh pour 100 km. Ce qui représente en tarification** « heures pleines » un budget de 0,8 à 2 €/100 km. En tarification « heures creuses », utilisée lors des charges de nuit, la consommation varie alors de 0,5 à 1,15 €/100 km.



Le plein d’énergieL’électricité est présente partout ou presque. Cette évidence est un avantage majeur pour le déve-loppement des véhicules électriques. d’autant plus qu’une banale prise de courant 220 Volts 16 Ampères est suffisante. Une rallonge pour raccorder le véhicule au réseau et le véhicule est en charge.Comme un objet usuel, un téléphone portable, un ordinateur ou une perceuse sans fil.

Le temps de charge est variable en fonction de la technologie des batteries utilisées. Les batteries au plomb nécessitent des charges lentes, de 6 à 10 heu-res, selon la puissance, alors que les technologies les plus récentes permettent des temps de charge de 4 à 8 heures.

La charge rapide, 1 à 2 heures, les charges partiel-les, les compléments de charge sont également per-mis par certaines de ces technologies comme les LiFePO4. Sous réserve de disposer de chargeurs adap-tés et de prises de courant de type industriel.

Charger son véhicule dans des lieux publics et au travail

des bornes de charge ont été conçues pour résister aux contraintes d’une installation sur la voix publi-que, en extérieur. Elles sont de plus en plus présen-tes dans les parkings sur des emplacements réservés

aux véhicules électriques. Environ 200 bornes pu-bliques, chacune comportant plusieurs prises, ont été installées en France à la fin des années 90. Il y en a une centaine à Paris.

début 2009 a été lancé, à l’initiative du gouverne-ment, un vaste programme national de développe-ment des points de charge. Les constructeurs auto-mobiles, les distributeurs d’énergie, les collectivités locales, les professionnels du bâtiment et les ges-tionnaires d’espaces publics y sont associés. L’ob-jectif est la création d’une infrastructure de charge (domestique, sur le lieu de travail, sur la voie pu-blique ou de bornes de recharge rapide) pour ali-menter plusieurs dizaines de milliers de véhicules à l’horizon 2012.

Cette infrastructure est assez simple à déployer, les travaux nécessaires pour installer les bornes de charge étant légers, bien plus que pour l’installation d’une station-service vendant de l’essence, du gas-oil ou de l’hydrogène.

Evolutions en cours des systèmes de charge

En accompagnement des infrastructures de charge, de nouvelles technologies émergent et commencent à être appliquées un peu partout dans le monde.

Borne pour station de charge présentée par AeroVironment lors d’EVS24 en mai 2009

deux tendances parallèles se complètent : la réduc-tion du temps d’immobilisation des véhicules pour « faire le plein » d’énergie électrique et la produc-tion d’énergie renouvelable en local.

Charge rapide

Plusieurs producteurs d’accumulateurs utilisant les technologies permettant de réduire les temps de charge, comme certaines LiFePO4, projettent à court terme, de 12 à 18 mois, de commercialiser des packs pour VE acceptant des temps de charge de l’ordre de 5 à 10 minutes. C’est le cas de Toshiba qui détient avec sa technologie SCiB (Super Charge ion Battery) les records du secteur.

Corollaire de ces performances élevées, des points de charge à haut débit électrique, des prises accep-tant 50 Ampères sous 230 Volts sont nécessaires. Cette puissance nécessite une installation électrique de type industriel.

des fabricants comme AeroVironment aux USA, avec d’autres, sont déjà prêts. Ils ont développé des bornes de charge dont l’apparence est proche des pompes à essence des stations-service. A une différence près, dans ces stations, c’est avec du courant électrique que l’on alimente en énergie les véhicules.

Charge sans contact

Autre technologie dont les progrès sont très rapides, la charge sans contact ou charge par induction. Tous ceux qui se servent d’une brosse à dents électrique utilisent, souvent sans le savoir, cette technologie consistant à transférer des courants électriques sans connecteur métallique. dans le cas des brosses à dents c’est au travers de la matière plastique que les courants sont transférés. de la base, le chargeur, vers l’accumulateur, contenu dans la poignée de la brosse.

La charge sans contact pour les VE fonctionne sur le même principe, sauf que les quantités d’énergie transportées sont beaucoup, beaucoup plus impor-tantes. Le principe physique utilisé est le transfert d’électricité par des champs magnétiques, dite char-ge par induction. Illustration - UniServices - Wireless Charging

Borne de charge de nouvelle génération développée par une entreprise Britanique : Elektromotive



Ainsi, il devient possible de charger un véhicule, à l’arrêt, sans fil, sans connecteur. Le véhicule doit être équipé sous son châssis, d’une plaque conte-nant une bobine et il suffit de le positionner sur un emplacement prévu à cet effet, une place de parking dédiée par exemple, contenant une autre bobine du même type, pour que le processus de charge soit lancé à l’aide d’une télécommande. Le champ ma-gnétique généré par les deux bobines transporte alors les courants « dans l’air ».

Les systèmes de ce type fonctionnent en toute sé-curité, des capteurs coupant le courant automati-quement si un objet quelconque, une main, un petit animal vient se positionner sous les bobines. Plu-sieurs entreprises proposent ces systèmes de charge par induction qui devraient apparaître sur le marché européen dès 2010.

Stations alimentées par des énergies renouvelables

La logique des concepteurs de systèmes de ce type est imparable : les parkings sont très souvent d’im-menses espaces à ciel ouvert dont la surface reste à exploiter. Ils les couvrent donc de toits munis de capteurs solaires. double avantage : les places de parking passent à l’ombre et l’énergie produite est utilisée pour recharger des VE, pendant leur temps d’immobilisation. Quand il n’y a pas de véhicule à

charger, le courant est injecté sur le réseau et vendu.Plusieurs entreprises se sont spécialisées sur ce cré-neau, certaines proposent depuis 2009 des stations de charge individuelles, à destination des particu-liers et des petites entreprises.

Technologie d’échange de batteries par Better Place

La technologie d’échange de batteries (appelée « Quick drop » par renault/Nissan) est une solution promue par la société Better Place. Une démonstra-tion de cette technologie a eu lieu à Yokohama au Japon en 2009, complétée par un projet pilote avec une compagnie de taxi japonaise. En perspective, l’échange de batteries offrira aux conducteurs la possibilité d’effectuer de longs trajets sans attendre que la batterie soit rechargée. dans cette solution, ce sont des stations d’échanges robotisées qui chan-geront les packs en quelques minutes.

Le projet Better Place

Fin 2007, un riche entrepreneur du secteur de l’in-formatique, Shai Agassi, annonce la création de Better Place. Cette « start-up » bénéficie d’un inves-tissement de plus de 200 millions de dollars, pour organiser la création de réseaux de bornes de re-charge de voitures électriques. Son but est de lever l’un des obstacles à leur adoption par le public.

Shai Agassi est un personnage atypique. Il a quitté son poste de direction de la multinationale SAP pour fonder Better Place (SAP est le premier fournis-

© Envision - Kyocera

© Better Place

seur mondial de logiciels inter-entreprises, et le troi-sième fournisseur mondial de logiciels). Son analyse est formelle : l’industrie automobile est en mutation profonde et passe du modèle actuel, la Voiture 1.0, centré sur le moteur à combustion interne, au mo-dèle de la Voiture 2.0, une auto électrique mue par des énergies renouvelables. Better Place présente une série de résultats impressionnants :

• Partenariat avec le gouvernement israélien et renault-Nissan pour le déploiement d’une in-frastructure de charge couvrant tout le territoire d’Israël. Israël sera le premier pays au monde à déployer un réseau national destiné aux voitures électriques.

• Signature d’un accord avec Dong Energy au danemark, un investissement de 103 millions d’euros, installation d’un réseau dans tout le pays.

• Better Place est associé aux géants nippons de l’automobile et au Ministère de l’Environnement, pour développer au Japon des stations de charge

ultra rapides. Le système repose sur un principe simple : les packs de batteries sont interchangea-bles, quelques minutes suffisent pour remplacer les batteries et reprendre la route.

• En Australie, déploiement d’un réseau de charge exclusivement alimenté par des énergies renouve-lables.

• Le gouvernement irlandais projette de faire bas-culer 10 % des véhicules routiers en électrique à l’horizon 2020. Pour cela, il investit 1 million de dollars dans un projet pilote avec Better Place.

• En Amérique, l’Ontario au Canada et la Californie aux USA choisissent à leur tour Better Place comme partenaire pour leurs réseaux de charge.

La réussite rapide de Better Place est transposable par-tout. Elle est, en effet, basée sur un principe simple : une voiture est stationnée en moyenne 23 heures sur 24, partout où une voiture électrique est stationnée, elle doit avoir la possibilité d’être rechargée.



recyclage des batteriesLes problèmes posés par les batteries usagées sont directement liés à l’organisation et à l’efficacité du recyclage. Les cours et la rareté des matières pre-mières pèsent également sur la nécessité absolue de procéder au traitement des batteries hors d’usage.

Ce sont les constructeurs ou importateurs qui por-tent la responsabilité d’informer les utilisateurs et doivent fournir un service de recyclage. Ils sont aidés en cela par des filières organisées en fonction des technologies à traiter. des sociétés spécialisées dans la collecte et le recyclage en fin de vie existent pour les technologies de batteries suivantes : Plomb, Ni-Cd, Ni-Mh, Li-Ion.

La collecte des batteries au plomb s’effectue à l’échelle nationale auprès des professionnels de la récupération, des garagistes, dans les déchetteries et les centre-autos.

Pour les autres technologies, Ni-Cd, Ni-Mh, Li-Ion, des filières spécifiques ont été organisées pour trai-ter les accus issus des ordinateurs et autres télépho-nes portables. Les volumes conséquents diffusés, et donc à recycler, ont généré la création d’entreprises ou de services spécialisés. Les spécialistes en Fran-ce sont : SARP Industries, filiale du groupe Veolia, la SNAM, filiale d’une entreprise allemande, F.W. Hempel & Co.

Une start-up grenobloise, recupyl, a quant à elle développé et breveté un procédé de traitement de batteries au lithium, opérationnel. Les batteries Zebra en fin de vie sont reprises et traitées directe-ment par le fabricant.

Une unité de traitement industrielle

Fin 2009, la société Umicore a décidé de construire une installation à l’échelle industrielle pour le recy-clage des batteries rechargeables usagées à Hobo-ken en Belgique. L’usine représente un investisse-ment de 25 millions d’euros, elle devrait démarrer ses activités dans le courant du premier semestre 2011. La technologie retenue est celle de la fusion à ultra-haute température. Umicore dispose déjà d’une installation de petite taille qui traite les batteries usa-gées issues des équipements électroniques portables tels que les téléphones mobiles et les ordinateurs portables. La nouvelle installation aura une capacité annuelle initiale de 7 000 tonnes. Ceci équivaut à environ 150 000 batteries de VE et hybrides ou 250 millions de batteries de téléphone portables.

Umicore est le plus grand recycleur de métaux pré-cieux au monde et fait partie des plus importants producteurs de matériaux clés pour les batteries re-chargeables.

Cette firme est connue dans le milieu des spécialistes des VE car elle est le principal sponsor de l’équipe belge en compétition pour le World Solar Challenge, une compétition de VE solaires, organisée en Austra-lie de darwin à Adelaide, soit plus de 3 000 km, à près de 100 km/h de moyenne.

Umicar, véhicule électrique solaire sponsorisé par Umicore, l’un des leaders du recyclage des batteries



Origine géographique des matières premières et ressources

La croissance fulgurante des moyens de production des batteries implique une augmentation propor-tionnelle des volumes de matières premières. Les réserves de celles-ci, nickel, cobalt, lithium, zinc, entre autres, se trouvent en quantités importantes à la surface de la terre.

Leur répartition géographique, très différente de cel-le des énergies fossiles, comme le pétrole ou le gaz, génère une redistribution des cartes économiques.de nouveaux Etats sont, de fait, producteurs de ma-tières premières stratégiques, au grand bénéfice de leur balance commerciale.

des stocks de Cobalt sont détenus par la républi-que du Congo, l’Australie et Cuba. Les plus gran-des mines de nickel sont en Australie, à Cuba, en France (Nouvelle Calédonie), en russie, en Afrique du Sud. Les réserves mondiales de zinc sont situées en Australie, Chine, Pérou, Kazakhstan, Etats-Unis, Mexique et Canada.

Au rythme actuel de consommation, les réserves sont de ± 43 ans pour le nickel, ± 95 ans pour le cobalt et une vingtaine d’années pour le zinc.

Du lithium en volume suffisant pour alimenter la production de batteries

Le lithium est un cas à part. des traces de lithium sont présentes dans les océans mais difficilement rentables en exploitation. On le trouve dans des gisements de pegmatites (des roches magmatiques), dans certaines argiles et en quantité importante dans les déserts salés.

Les plus importants de ces déserts salés sont situés en Amérique du Sud, en Argentine, Chili et Bolivie, ainsi qu’en Chine et au Tibet. L’un de ces gisements, non encore exploité, est situé en Bolivie, il s’agit du « Salar de Uyuni », le plus grand désert de sel de la planète, avec une étendue de 10 582 km2. des groupes industriels, comme les Japonais de Mit-subishi et Sumitomo ou le groupe français Bolloré, ont approché le gouvernement bolivien pour lui proposer d’exploiter ce gisement géant. Les ressour-ces connues en lithium, estimées par l’USGS (U.S. Geological Survey), sont de l’ordre de 4,1 millions de tonnes. La production de l’année 2008 a été de 27 400 tonnes, ce qui permet d’envisager la pro-duction de plusieurs dizaines de millions de packs de batteries destinés aux VE sans difficulté majeure d’approvisionnement.

Nouvelles découvertes de lithium

L’augmentation de la demande en lithium pour les futures batteries de VE a provoqué en 2009 une effervescence sur le marché mondial de ce minerai. Plusieurs annonces sont venues corroborer le fait que des ressources en lithium non encore exploi-tées, en quelque sorte en réserve, seront rendues disponibles en fonction de la demande. En octobre 2009, une entreprise mexicaine, la Sutti Piero Mining Company a fait état de la découverte dans le centre du pays d’un énorme gisement de lithium et de po-tassium dans les régions de Zacatecas and San Luis Potosí. Celui-ci pourrait être l’un des plus grands au monde. Plusieurs sociétés, japonaise, suédoise, coréenne et australienne sont sur les rangs pour in-vestir dans l’exploitation.

Une autre compagnie, américaine celle-là, Western Lithium Corporation, a annoncé la mise en exploi-tation prochaine d’un gisement de lithium dans le désert du Nevada. Il fut découvert fortuitement par Chevron ressources en 1977, lors de forages des-tinés à la recherche d’uranium. En 1991, vu la de-mande réduite de lithium de l’époque, le groupe Chevron céda ses droits d’exploitation repris par la compagnie Western Energy development. Cette dernière relança les recherches dès 2005 et créa une filiale, la Western Lithium Corporation, chargée de l’exploitation. Le gisement est estimé à plus d’ 1 mil-lion de tonnes de carbonate de lithium.

dernier exemple de ressources en lithium, non en-core exploitées jusqu’à présent, que l’augmentation de la demande génère : la production dans des usi-nes géothermiques. Une firme basée en Californie, Simbol Mining Corp, créée en 2007, exploite des brevets du département US à l’énergie (Lawrence Livermore National Laboratory), pour extraire à par-tir de sources géothermales des minerais comme

Le « Salar de Uyuni », le plus grand désert de sel de la planète. Situé à l’extrémité sud de l’Altiplano, il renferme plusieurs millions de tonnes de lithium

le zinc, le manganèse, l’argent et... le lithium. Elle s’associe avec les producteurs d’électricité d’ori-gine géothermique pour la production simultanée d’énergie et de minéraux et métaux à faible coût. La construction d’une unité pilote a été lancée en 2009.

Nous constatons à travers ces exemples que le débat alarmiste qui s’est installé dans les médias sur le thème « Y aura-t-il assez de lithium pour les VE ? » n’a pas lieu d’être dans la forme volontairement dramatique que certains pseudo experts ont voulu lui donner.

d’autres matières premières, comme le gaz ou le pétrole, posent des problèmes géostratégiques et d’approvisionnement beaucoup plus importants, in-finiment plus délicats, que les ressources en lithium. Il convient de garder cela à l’esprit quand nous de-vons prendre des décisions au sujet des véhicules électriques.



Récupération d’énergie au freinage

d’autres composants commencent à être utilisés dans les VE, comme les supercondensateurs ou ultracapacitors en anglais. Leur temps de charge et de décharge, de l’ordre de quelques secondes, leur permet de jouer le rôle de tampon d’énergie entre le moteur et les batteries. Ils sont utilisés dans la fonction de récupération d’énergie au freinage. Cela consiste à stocker l’électricité produite par le moteur en mode « frein générateur », lors des décélérations. Pour être efficace, cette technique doit utiliser des accumulateurs acceptant des courants élevés en pro-venance du moteur. Peu de technologies de batteries le permettant, certains concepteurs utilisent alors des supercondensateurs. Ceux-ci ont franchi les portes des laboratoires de recherche pour être produits en volumes importants par des firmes comme Maxwell et Batscap, filiale du groupe Bolloré.

Recherches sur les batteries

Les technologies de batteries évoquées dans cet ouvrage sont aujourd’hui des technologies disponi-bles, « sur étagères » pour les VE, ou en passe de l’être dans les prochains mois. Elles sont toutes sor-ties des laboratoires de recherche il y a plusieurs an-nées et sont en phase d’industrialisation de masse.

Ce n’est pas encore le cas d’autres technologies, d’autres couples électrochimiques explorés dans les laboratoires.

Perspectives futures des chaînes de traction pour VE

Nous savons que la mobilisation de la communauté scientifique planétaire, les investissement colossaux effectués par les entreprises et les Etats seront transfor-més en produits réels dans les dix prochaines années. Lesquels ?Il est encore trop tôt pour faire la part des choses entre les annonces purement spéculatives et celles qui confirmeront les espoirs des investisseurs.

Plusieurs voies sont explorées en ce début de déca-de : accumulateurs Nickel-Hydrogène (Ni-H2) sur le modèle de ceux exploités dans la Station Spatiale Internationale (ISS), batteries Lithium-Sulfure (Li-S), Lithium-Air, High Power Lithium (HPL), batteries à flux Redox... Les pistes sont nombreuses et compte tenu du temps nécessaire entre les annonces des premiers prototypes et une éventuelle production en série, de trois à dix ans selon les cas, nous de-vrons patienter encore un peu avant de disposer de VE permettant de parcourir 500 à 1000 km sur une seule charge.

Des VE 2.0

Pour arriver à des véhicules efficients, il est néces-saire d’y intégrer, non seulement des batteries à très haute densité d’énergie, mais également des péri-phériques et dispositifs intelligents pour optimiser, minimiser les consommations électriques.

Actuellement, les VE sont à un stade similaire à ce-lui des véhicules à essence avant l’arrivée des injec-

L’ISS - Station Spatiale Internationale, équipée d’accumulateurs Nickel-Hydrogène (Ni-H2)

tions multipoints et autres dispositifs économes en carburant, ils sont voraces en électricité.

En terme de consommation, les VE passent actuelle-ment de l’ère de la consommation effrénée à celle de la sobriété énergétique. Ils vont le faire grâce à

l’adoption d’ordinateurs embarqués utilisant la puis-sance de micro calculateurs à nano transistors, pro-grammés à l’aide de techniques et langages dérivés de ceux qui ont permis l’arrivée d’Internet 2.0. En cela les véhicules électriques entrent dans l’ère des véhicules 2.0 !



Sources Sur la route de l’électricité, Tome 2, Les piles électriques et l’électricité dynamique. Éditions Multimonde, Québec, Canada.

Le stockage électrochimique - Virginie SCHWArZ et Bernard GINdrOZ - AdEME - 2005

Nanomaterials for energy storage and conversion

Jagjit Nanda - Technical Expert - Materials and Nanotechnology department

research and Advanced Engineering - Ford Motor Company - USA

L’échelle des choses : « Scale of Things » original chart was designed by the Office of Basic Energy Sciences (BES) for the U.S.

department of Energy

How to avoid an electric shock - Electric cars: from hype to reality

November 2009 - European Federation for Transport and Environment AISBL

Transport & Environment - Brussels - Belgium

Electrification Roadmap

revolutionizing Transportation and Achieving Energy Security

November 2009 - Electrification Coalition - USA

Le marché des véhicules propres en Chine - Novembre 2009 - UbiFrance

Plugged In - Batteries must be included - juin 2008 - FITT research

deutsche Bank - research Product Committee

Batteries : fin du maillon faible ? - Andrea Vezzini - August 2008

Electric drive System research - Bern University of Applied Sciences - Switzerland

Ce dossier a été conçu, écrit et illustré par Alain Giaccone & Jean-Patrick Teyssaire, fondateurs et consultants de la société Planète

Verte, basée à Paris, France.

planete-verte.mobi

Caractéristiques Pb Ni-Cd NiMh Ni-Zinc Zebra LMP Li-Ion Li-Po LiFePo4

Wh/kg 40 60 80 80 120 110 160 200 200

Wh/L 75 150 250 140 181 100 270 300 220

Nombre de cycles 500 2 000 1 000 800 1 500 1 800 1 200 2 000 4 000

Puissance pack 10 kWh

kWh/kg 0,04 0,06 0,08 0,08 0,12 0,11 0,16 0,2 0,2

Poids en kg 250 167 125 125 83 91 62,5 50 50

Durée de vie en kilomètres

Base 140 km par charge 70 000 280 000 140 000 112 000 210 000 252 000 168 000 280 000 560 000

Hypothèse 1 - 2010

Prix en kWh en € 300 1 200 1 100 700 1 250 1 300 900 1 250 1 800

Prix pack 10 kWh 3 000 12 000 11 000 7 000 12 500 13 000 9 000 12 500 18 000

Prix au km en € 0,043 0,043 0,079 0,063 0,060 0,052 0,054 0,045 0,032

Hypothèse 2 - Projection fin 2011

Prix au kWh en € 300 1 200 1 000 500 1 100 1 150 700 1 100 1 600

Prix pack 10 kWh 3 000 12 000 10 000 5 000 11 000 11 500 7 000 11 000 16 000

Prix au km en € 0,043 0,043 0,071 0,045 0,052 0,046 0,042 0,039 0,029

Tableau comparatif poids / puissance / prix des technologies de batteries

ove interieur batteries bd 3

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