Un guide GlobalData sur les technologies concurrentes de groupes motopropulseurs pour véhicules électriques
Les batteries sont les barils de pétrole du XXIe siècle
Au cours de la dernière décennie, l’industrie des batteries a suffisamment progressé pour permettre l’électronique grand public portable, l’Internet mobile, les premières voitures électriques et l’adoption initiale du stockage et de la production intermittents d’énergie renouvelable. Étant donné le rôle croissant et croissant de l’énergie stockée dans la lutte contre le changement climatique, elle deviendra l’une des industries les plus importantes au monde au cours des dix prochaines années.
Y aura-t-il suffisamment de piles ?
Alors que les gouvernements du monde entier prennent au sérieux la décarbonation de leurs économies, la demande de batteries bon marché, sûres, performantes, durables et à faible empreinte carbone va monter en flèche, notamment de la part de l'industrie automobile.
Par conséquent, des goulets d’étranglement dans la chaîne d’approvisionnement se matérialiseront au cours de la prochaine décennie. Le manque de matières premières peu coûteuses et faciles à purifier pour alimenter les giga-usines de batteries existantes et prévues dans le monde constitue la plus grande menace à la sécurité d'approvisionnement. De plus, la baisse des investissements dans les mines minières cruciales – associée à l’importance croissante des facteurs environnementaux, sociaux et de gouvernance (ESG) – limitera le développement de nouvelles capacités.
Il y aura probablement une pénurie mondiale de batteries grave mais temporaire d’ici 2025 en raison d’une forte augmentation de la demande de véhicules électriques (VE) et d’une pénurie de métaux pour batteries extraits et raffinés. Cependant, l’industrie investit massivement pour éviter que cela ne devienne une menace durable en réduisant son utilisation de matériaux rares, en développant de nouveaux matériaux et technologies de batteries et, surtout, en créant une industrie mondiale de recyclage des batteries.
Pendant ce temps, le contrôle de la Chine sur l’ensemble de la chaîne d’approvisionnement mondiale, depuis les mines et raffineurs jusqu’aux marqueurs de composants et producteurs de cellules, constitue un problème géopolitique croissant. Les États-Unis et l’Europe prennent des mesures significatives pour réduire la dépendance à l’égard de la Chine au sein de leurs chaînes d’approvisionnement en batteries d’ici 2030. Le recyclage des batteries est autant une question de géopolitique que de durabilité environnementale. L’économie circulaire des batteries sera essentielle à la transition énergétique, et les nations (et les entreprises) doivent développer le recyclage national à mesure que les volumes de véhicules électriques et les volumes en fin de vie augmentent fortement.
Les chimies – quelques principes de base
Les technologies de batteries couvrent de nombreux produits chimiques, différents types de cellules et technologies alternatives.
Une batterie est un conteneur constitué d'une ou plusieurs cellules électrochimiques dans lesquelles l'énergie chimique est convertie en électricité. Ils sont utilisés comme source d’énergie. Les batteries sont des facilitateurs essentiels de nombreuses autres technologies. Ils font partie intégrante des modes de vie mobiles modernes et de la production de masse de véhicules électriques (VE). Les technologies de batteries et de stockage d’énergie joueront un rôle fondamental dans la transition vers les énergies renouvelables.
Il existe deux types de cellules de batterie : les cellules primaires et les cellules secondaires.
- Les piles primaires produisent un courant électrique par une réaction chimique irréversible et sont appelées piles jetables.
- Les cellules secondaires créent ce courant électrique grâce à une réaction chimique réversible. Celles-ci sont souvent appelées piles rechargeables ou cellules de stockage.
Une pile à combustible est une autre source d’énergie, mais ce n’est pas une batterie. Les batteries créent de l’énergie en utilisant les produits chimiques qu’elles contiennent déjà. En revanche, une pile à combustible utilise un approvisionnement externe continu en combustible qui la traverse comme source de produits chimiques pour la production d’électricité. Les piles à combustible ont été utilisées dans des sondes spatiales sans pilote, dans des voitures et comme alimentation de secours de secours. Cependant, les carburants utilisés – généralement l’hydrogène – ont été jugés trop dangereux pour une utilisation quotidienne.
Les batteries convertissent l'énergie chimique en énergie électrique
Les batteries stockent l'énergie chimique et la convertissent en énergie électrique par une réaction électrochimique. Ils se composent de trois composants principaux : une électrode positive (cathode), une électrode négative (anode) et un électrolyte. Les deux électrodes sont constituées de matériaux différents. Les électrodes sont séparées les unes des autres par un séparateur semi-perméable à certaines espèces chimiques et la batterie est logée dans un boîtier.
Lorsqu’une batterie est connectée à un circuit électrique, une réaction électrochimique se produit. Les électrons circulent de l'anode, à travers le fil pour alimenter un appareil connecté et vers la cathode.
Chaque cellule de batterie contient une quantité limitée de matière réactive. Finalement, les processus électrochimiques au sein de la batterie cesseront de fournir des électrons à l’électrode négative et l’électricité cessera de circuler. Pour cette raison, la puissance disponible dans une batterie est limitée.
Recharge
Les batteries secondaires peuvent être rechargées à l’aide d’une source externe, telle que des panneaux solaires, des éoliennes, des freins de voiture ou l’électricité secteur. Pendant la recharge, les réactions électrochimiques se produisent à l'envers, ramenant la cellule et ses composants à leur état d'origine. Cependant, des phénomènes tels que le durcissement des batteries et la formation de dendrites empêchent les batteries de se recharger un nombre infini de fois. Les dendrites peuvent entraîner des courts-circuits dangereux, bien que des séparateurs en céramique soient en cours de développement pour contribuer à atténuer ce problème.
Le lithium-ion (Li-ion) est la technologie de batterie dominante pour les appareils connectés (par exemple, les ordinateurs portables et les smartphones), les véhicules électriques (VE) et le stockage d'énergie renouvelable à la maison. Dans tous ces cas d’utilisation, la sécurité est d’une importance primordiale. Le Li-ion gagne dans ces domaines en raison de sa sécurité. Alors que la demande de batteries plus petites et plus puissantes avec des cycles de vie plus longs augmente, les chercheurs tentent activement de résoudre les problèmes de court-circuit et de surchauffe, qui peuvent conduire à des incendies et des explosions dangereux.
Les cellules Li-ion stockent plus d'énergie pour un poids donné (densité énergétique)
Les cellules Li-ion peuvent stocker plus d'énergie pour un poids et un volume donnés que les batteries au plomb ou au NiMH et permettent une recharge et une décharge plus rapides. Ces propriétés les rendent idéales pour le stockage d’énergie pour les véhicules électriques, où une grande densité énergétique dans un boîtier léger est essentielle.
Les batteries au lithium fer phosphate (LFP) sont un autre type de batterie utilisé dans les appareils électroniques portables d'aujourd'hui. Les LFP ont une densité énergétique inférieure à celle des batteries Li-ion, ces dernières étant donc la référence typique pour les appareils électroniques gourmands en énergie qui déchargent les batteries à des rythmes élevés. Cependant, les LFP peuvent résister à des températures élevées avec une dégradation minimale et conviennent aux objets qui doivent fonctionner pendant de longues périodes avant d'être chargés. De plus, les batteries LFP ont généralement des cycles de vie plus longs que les batteries Li-ion. Autrement dit, ils peuvent être chargés et déchargés plusieurs fois. L’un des plus grands avantages des LFP par rapport aux batteries Li-ion est sans doute la sécurité. Une stabilité thermique et chimique améliorée signifie que les LFP restent froids à des températures chaudes et sont incombustibles (ne prennent pas feu) en cas de mauvaise manipulation lors d'une charge ou d'une décharge rapide, ou lors d'un court-circuit.
Des compositions chimiques avancées pour les batteries sont également en cours de développement et pourraient offrir des avantages par rapport aux batteries disponibles dans le commerce.
Les avantages en termes de performances incluent un poids plus léger, une densité énergétique plus élevée, une tolérance à la température plus large, un cycle de vie prolongé et une sécurité améliorée. Par exemple, l'électrolyte liquide des batteries Li-ion peut devenir incroyablement volatil s'il est exposé à l'air extérieur, par exemple lors d'un accident ou d'une défaillance de la structure de la cellule. Les incendies de batteries au lithium sont particulièrement violents et difficiles à éteindre, et il faut souvent les immerger complètement dans l'eau pendant plusieurs jours pour qu'ils deviennent totalement inertes. Il n’existe aucune preuve suggérant que les incendies de véhicules électriques se produisent plus fréquemment que les incendies de véhicules à combustion – en fait, ils peuvent même être statistiquement moins probables.
Cependant, les constructeurs de véhicules électriques doivent encore rassurer le public sur la sécurité de leurs véhicules. Le lancement désastreux par Samsung du Galaxy Note 7, un smartphone en proie à des incendies de batterie Li-ion, a mis les dangers potentiels de cette chimie de batterie aux yeux du public – une erreur que les fabricants de véhicules électriques ne voudront pas répéter.
Les batteries à semi-conducteurs sont la deuxième option la plus viable
Les cellules à semi-conducteurs utilisent généralement la même réaction chimique à base de lithium-ion pour stocker et décharger l'énergie que les cellules conventionnelles. La différence réside dans l’électrolyte utilisé pour séparer l’anode et la cathode. Les cellules conventionnelles utilisent un électrolyte à base de liquide – généralement un sel de lithium en suspension dans un solvant organique – tandis que les cellules à l'état solide le remplacent par un électrolyte solide très fin, généralement fabriqué à partir de céramique, de polymère ou de verre.
La suppression de l’électrolyte liquide apporte de nombreux avantages potentiels. Les cellules à semi-conducteurs sont plus légères et plus compactes que leurs homologues à base de liquide, ce qui signifie que le poids du paquet peut être réduit ou la capacité énergétique augmentée. Ils devraient être plus résistants à la formation de dendrites de lithium, ce qui améliorera les performances de décharge de puissance et augmentera les vitesses de charge potentielles, tout en prolongeant la durée de vie de la batterie. De plus, une fois la fabrication en série réalisée, elles devraient être plus faciles et plus rapides à fabriquer que les cellules Li-ion conventionnelles grâce à l’élimination des solvants industriels.
Les cellules à semi-conducteurs présentent des avantages encore plus prononcés dans le domaine de la sécurité des batteries. Les incendies provoqués par des cellules lithium-ion défectueuses ou endommagées ont été largement médiatisés (par exemple Chevrolet Bolt et ses batteries LG). Dans de nombreux cas, ces incendies se produisent parce qu’une défaillance interne ou des dommages externes ont exposé l’électrolyte de lithium volatil à l’air extérieur, provoquant son inflammation et déclenchant une réaction en chaîne pouvant détruire l’ensemble de la batterie. Les électrolytes solides évitent totalement ces problèmes et sont très résistants au feu et aux explosions, même en cas de perforation ou de choc.
Bien qu’elles offrent de nombreux avantages théoriques, aucune entreprise n’a encore démontré sa capacité à fabriquer en masse des cellules à semi-conducteurs pour les véhicules légers, la plupart étant encore au stade des tests au banc. Il reste encore quelques problèmes à résoudre, notamment la conception de l'électrolyte solide et des électrodes de manière à ce qu'ils s'interfacent uniformément sur toute leur surface, car toute déformation peut créer des espaces qui limitent l'efficacité des cellules. De plus, il a été démontré que la stabilité des matériaux pose problème, la fragilité de l'électrolyte entraînant des fractures microscopiques limitant les performances des cellules.
Blue Solutions, filiale du français Bolloré, a remporté un contrat pour la fourniture de ses cellules à semi-conducteurs pour le bus urbain articulé eCitaro G de Daimler – le premier accord de fourniture commerciale enregistré pour cette technologie. Cependant, le pack à semi-conducteurs en option doit être délibérément chauffé à une température de fonctionnement relativement élevée, comprise entre 50 °C et 80 °C, ce qui réduit une certaine autonomie dans le processus et le rend inapproprié pour une utilisation dans des véhicules légers avec leurs modes d'utilisation imprévisibles.
Piles à combustible (hydrogène) – un pari à long terme
Les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV) génèrent de l’énergie à bord en oxydant le carburant – généralement de l’hydrogène – à travers une membrane de pile à combustible, la seule émission étant de l’eau. Cette énergie peut être envoyée directement au moteur électrique ou stockée dans une batterie séparée pour une utilisation ultérieure. Les FCEV peuvent être rapidement « ravitaillés » de la même manière que les véhicules à combustion en remplissant le réservoir d'hydrogène, éliminant ainsi la longue période de recharge requise par les BEV. La poussée vers l’hydrogène est également partiellement motivée par son rôle potentiel dans le cadre d’une économie énergétique circulaire. Ici, l’énergie éolienne ou hydroélectrique renouvelable est utilisée pour extraire l’hydrogène de l’eau de mer. L’hydrogène sert alors de réservoir à l’énergie hors pointe générée par ces sources.
Bien que les FCEV présentent de nombreux avantages potentiels, la technologie doit être affinée avant de pouvoir rivaliser avec les BEV. Le coût de production de l’hydrogène est actuellement plus élevé que le coût de production de l’essence, ce qui rend les recharges coûteuses. De plus, l’infrastructure nécessaire pour prendre en charge les FCEV n’a pas encore été construite, alors que les réseaux de recharge des véhicules électriques se développent déjà rapidement.
Les FCEV peuvent être de la plus grande valeur pour les véhicules lourds et commerciaux. Les batteries sont lourdes et ne conviennent donc pas aux camions à longue portée, car le simple poids des batteries nécessaires utiliserait trop de capacité de charge potentielle. Les itinéraires prévisibles empruntés par les camions à longue distance nécessitent également moins de stations de ravitaillement en hydrogène pour fonctionner efficacement.
Essentiellement, les FCEV sont considérés dans l’industrie comme une direction de déplacement probable pour le transport à long terme – avec leurs applications très probablement initialement dans les véhicules utilitaires lourds aux côtés des réseaux de bornes de recharge en boucle fermée.
Source à partir de Juste une voiture
Avis de non-responsabilité : les informations présentées ci-dessus sont fournies par just-auto.com indépendamment d'Chovm.com. Chovm.com ne fait aucune représentation ni garantie quant à la qualité et à la fiabilité du vendeur et des produits.
