La batterie enjeux de la voiture électrique

Les batteries sont devenues un élément indispensable de nos objets quotidiens. On en trouve une dans chacune de nos voitures ou elles assurent le démarrage et l’alimentation électrique du véhicule. On en trouve maintenant dans la plupart des perceuses, des téléphones portables, des laptops… et dans bien d’autres objets « sans fils ». Les batteries sont aujourd’hui un des points majeurs qui décideront de l’apparition des véhicules électriques dans nos rues, solution à nos problèmes de dépendance énergétique et de pollution dans le domaine des transports.

La batterie est un moyen stockage de l’énergie

L’électricité se stocke mal et il n’existe que peu de solution pour stoker de l’énergie électrique. La batterie est une solution de stockage, mais le problème bien connu des batteries est sa faible capacité de stockage :

Elles pèsent lourd : un kilo de plomb stocke 100 fois moins d’énergie qu’un kilo de gazole[1]
Elles prennent de la place : un litre de plomb stocke 33 fois moins d’énergie qu’un litre de gazole[2]

Les choses s’améliorent un peu grâce au lithium, mais on est encore loin, très loin du gazole pour transporter l’énergie d’un véhicule.

Gazole [1] Plomb Li-ion Kokam Li-ion A 123

Poids 3500 Wh/kg
1kWh = 0,3kg 37 Wh/kg
1kWh = 27kg 134 Wh/kg
1kWh = 7.5kg 100 Wh/kg
1kWh = 10kg

Volume 3000 Wh/l 100 Wh/l 278 Wh/l 170 Wh/l

Un historique en plomb

La batterie moderne a été inventée en 1800 par Volta. Elle était composée de disque en zinc et argent séparés par du papier humide. Il s’agissait d’une des premières méthodes de génération de l’électricité, 20 avant l’utilisation des champs magnétiques. Gaston Planté invente la version « rechargeable » de cette pile en 1859, basée sur deux électrodes en plomb et de l’acide sulfurique. Il s’aperçoit que la réaction est réversible : la batterie au plomb, tel qu’on la connaît aujourd’hui, était inventée[3]

Waldemar Jungner (Suède) invente en 1899 la batterie au nickel-cadmium, qui, comme sont nom l’indique, utilise du nickel et du cadmium. Elle est aujourd’hui plus connue sous le nom de NiCd. Thomas Edison (US) remplace le cadmium par le fer en 1901 et invente la batterie nickel-fer. La batterie au plomb utilise de l’acide sulfurique, ce qui n’est pas le cas de ces nouvelles chimies, mais elles sont trop chères et il faudra attendre des progrès techniques important pour qu’elles soient industrialisées.

Le fonctionnement des piles/batteries est toujours le même : deux électrodes et un électrolyte permettant la réaction chimique qui produit du courant[4]. Certaine de ces réactions sont réversibles, ce qui permet la recharge de la batterie.
Toute l’évolution des piles et batteries se situe donc dans l’amélioration de ces trois éléments : anode, cathode et électrolyte, pour augmenter leurs capacités et leur durée de vie en contenant leurs poids, leurs volumes et leur prix[5]

4 grandes familles… et quelques acronymes

Cette évolution a donnée lieu à un foisonnement d’acronymes qui indique en parti ou complètement la composition des trois éléments. Dans un ordre historique cela donne : Batterie au plomb Electrolyte liquide, basée sur des électrodes en plomb et de l’acide sulfurique comme électrolyte. Electrolyte stabilisé ou « batterie gel », appelée aussi VRLA (Valve Regulated Lead Acid) ou AGM (Absorbant Glass Material) ou SLA (Sealed Lead Acid). L’électrolyte est absorbé dans un matériau, de la fibre de verre par exemple, ce qui évite les fuites d’acide. Batterie NiCd Les batteries nickel / cadmium (NiCd) sont composées d’électrodes en nickel oxyde hydroxyde et en cadmium. L’électrolyte est alcalin (donc, moins dangereux que l’acide sulfurique). Batterie NiMh Les batteries Nickel-Metal Hydride (NiMH) sont similaires aux batteries NiCd mais elles utilisent un alliage qui absorbe l’hydrogène à la place du Cadmium : le nickel oxyhydroxide (NiOOH). Batterie Li-ion Les batteries lithium ion (Li-ion) sont basées sur le passage d’ions Lithium de l’anode à la cathode pendant la décharge et l’inverse pendant la charge. L’anode est généralement en graphite et la cathode en un oxyde métallique : LiCoO₂, LiMnO₂, LiFePO₄ ou Li₂FePO₄F. L’électrolyte est composé de d’un sel de lithium. L’électrolyte peut être solide ou liquide. Dans ce dernier cas, il s’agit des batteries connues sous le nom de Li-Po, signifiant Lithium ion polymère. Il s’agit d’un polymère gélifié : LiPF₆, LiBF₄, ou LiClO₄ et d’un solvant organique comme l’éther. Cette liste n’est bien sur, pas exhaustive et en constante évolution… Il existe donc plusieurs combinaisons possibles de cathodes et d’électrolyte pour ces batteries lithium, combinaisons chimiques qui donnent des propriétés différentes.

Devant cette offre, sur quels critères choisir sa batterie ?

Nous avons vue que le poids et le volume d’un kWh est une première caractéristique importante des batteries. Il y en a beaucoup d’autres qui expliquent qu’en fonction des usages, on trouve encore des batteries plomb, NiCd et NiMh… Sans être trop technique, on peut retenir les grandes règles suivantes qui départagent ces technologies.

Batterie au plomb

Les batteries au plomb sont anciennes et surtout « maitrisées ». Aujourd’hui, il y en a au moins une dans chaque voiture[6]. On sait plus ou moins recycler le plomb, et l’habitude veut qu’on ait oublié qu’elle contenait de l’acide sulfurique, surtout avec les batteries modernes « étanches ». Elles sont adaptées à un usage automobile (températures extrêmes, durées de vie, vibrations etc.). En conséquence, elles sont peu chères, donc indiquées dès que le critère prix prime. On les retrouve dans les vélos électriques premier prix, les premiers véhicules électriques etc. Inconvénient de poids : leur masse. La quantité d’énergie embarquée est faible. S’ajoute à cela, une durée de vie absolue longue (6 ans) mais courte si on l’utilise en décharge profonde : une batterie au plomb ne supportera pas plus de 500 cycles de charge/décharge complet (ou profond dans le vocabulaire batterie). Dans le cas d’une utilisation automobile, la voiture recharge la batterie dès que le moteur tourne[7]. Mais dans le cas d’un usage « traction » pour déplacer un véhicule électrique, il faut soit s’astreindre à recharger la batterie le plus souvent possible, soit admettre qu’au bout de 500 recharges complètes, il faut changer de batterie.

Batterie NiCd

Les batteries NiCd sont aussi bien maitrisées et robustes. Elles supportent les déchargent profondes, elles aiment même bien ça, et sont capables de fournir beaucoup de courant. Elles durent plus de 2000 cycles. Leurs inconvénients majeurs sont :

le fameux effet mémoire qui oblige justement à les décharger complètement – profondément – régulièrement
et l’utilisation de métaux polluants.

Elles sont donc indiquées dans le cas d’usage industriels répétitifs et continuels : chargée et déchargée tous les jours par exemple.

Batterie NiMh

Les batteries NiMh emportent plus d’énergie que les batteries NiCd (le double environ), mais permettent moins de cycles, synonyme de durée de vie plus réduite. Mais cette durée de vie est par contre, très grande si on ne les décharge pas complètement. C’est ce qui permet à Toyota d’annoncer des durées de vie de 600 000km sur le pack de batterie d’une Prius. Conséquence : une batterie qui a pour caractéristique 10 kWh d’énergie n’est en fait capable d’embarquer que 10*30% kWh=3KWh si on se limite à 30% de profondeur de décharge pour augmenter la durée de vie… Autre problème, ces batteries se déchargent toutes seules si on ne les utilise pas. C’est le cas de toutes les batteries, mais la fuite est ici deux fois plus importante que dans le cas du NiCd par exemple. Avantage : elles n’embarquent pas de polluant, ce qui facilite l’usage grand public, et résiste aux contraintes automobiles. On les trouve donc logiquement aujourd’hui dans tous les véhicules hybrides, mais aussi dans bien des appareils électriques premiers prix. Pensez simplement à les recharger souvent et ne les décharger pas complètement !

Batterie Li-ion

Les batteries Li-ion vont certainement balayées toutes les technologies… si on trouve un moyen de régler efficacement le léger problème d’auto-inflammation (les batteries prennent feu). Elles ont une forte capacité énergétique, permettent des puissances élevée, des recharges très rapides. Leur adoption massive dans les portables de toutes sortes a fait baisser les prix – du moins, pour l’instant c’est le cas des petites batteries. Leur forme est très flexible (rondes, plates etc.) et n’utilisent pas de polluant[8]. Pour éviter le problème de l’auto-inflammation, elle nécessite une électronique de surveillance, sorte de fusible qui limite les tensions de charge et de décharge. Comme le démontre le nombre de chimies existantes et annoncées quotidiennement, elles sont encore en évolution forte. Certaines chimies permettent de résoudre le problème de l’auto-inflammation (LiFePo par exemple) mais font baisser la quantité d’énergie embarquée, d’autres augmentent la puissance maximale en conservant un bon rendement etc. Il faut donc choisir la bonne chimie, le bon constructeur en fonction de ses besoins en espérant qu’une nouvelle chimie et/ou implantation des composants permette d’obtenir la batterie parfaite, fiable et économique… Le tableau ci-dessous donne quelques données techniques approximatives sur les technologies existantes. Les données précises se trouvent sur les fiches techniques des constructeurs.

NiCd NiMH Plomb Li-ion

Densité énergétique (Wh/kg)[a] 45-80 60-120 30-50 110-160

Nombre de cycle de charge/décharge[b] 1500 300 to 500 200 to 300 500 to 1000

Temps de recharge rapide 1h 2-4h 8-16h 2-4h

Tolérance à la surcharge Moyenne Faible Haute Très basse

Autodécharge par mois 20% 30% 5% 10%

Voltage nominal d’une cellule 1.25V 1.25V 2V 3.6V

Courant[c] - en pic
- utilisation normale
20C
1C
5C
0.5C
5C
0.2C
plus de 2C
1C

Plage de températures de fonctionnement
(en décharge) -40 à 60°C -20 à 60°C -20 à 60°C -20 à 60°C

Commercialisé depuis 1950 1990 1970 1991

Extrait du livre d’Isidor Buchmann

[a] Quantité d’énergie embarquée par kg. Plus elle est importante, plus vous pourrez utiliser votre batterie sans la recharger. [b] Il s’agit ici de décharges profondes. On considère que la batterie est « morte » lorsqu’elle n’est plus capable de stocker 80% de sa capacité initiale. [c] La puissance d’une batterie s’exprime généralement en coefficient multiplicateur « C » de la capacité nominale du stockage de la batterie. Une batterie de 2Ah permettant 5C pourra débiter 5x2=10A.

[1] En ne conservant que 30% de l’énergie du gazole pour tenir compte des rendements moyens des moteurs thermiques. [2] On compare ici ce que l’on appelle techniquement la densité d’énergie massique aussi appelée énergie spécifique et la densité d’énergie volumique. Elles s’expriment en Wh/kg et en Wh/l. [3] Une batterie est la réunion d'éléments générateurs de courant électrique, une pile, un appareil transformant en énergie électrique l'énergie dégagée par une réaction chimique. L'appareil créé par Volta étant fait de disques de métal empilés… On entend souvent dire que la batterie est rechargeable et la pile non rechargeable, mais cette notion est floues. Les piles alcalines sont rechargeables. [4] Les thermopiles, les piles photovoltaïques et les piles atomiques sont appelées piles par extension, mais ne fonctionne pas sur ce principe. [5]Dans certains domaines d’application, par exemple, le domaine spatial ou militaire, le prix importe peu. On trouvera donc parfois des batteries largement meilleure que ce que nous connaissons, mais à un prix inaccessible au grand public. [6] Elles seront certainement remplacées rapidement par des batteries Lithium… [7] Cela n’est pas tout à fait exact, il existe de plus en plus souvent des stratégies complexes de recharge pour éviter de perdre de la puissance dans l’alternateur lorsque la batterie est suffisamment chargée. [8] Mais on n’a pas encore vraiment trouvé de recyclage… Par Fabio FERRARI

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