Comment Ford, GM et Tesla construisent de meilleures batteries pour VE

Cette histoire fait partie de Recode par Vox’s Soutien technique Série explorant des solutions à notre monde qui se réchauffe.

Lorsque les batteries lithium-ion grand public sont arrivées sur le marché dans les années 1990, elles étaient révolutionnaires : elles pouvaient être rechargées en quelques heures seulement. ou moins et ont rendu nos ordinateurs et téléphones modernes vraiment portables. Mais trois décennies plus tard, cette technologie de batterie est sur le point de faire l’objet d’une mise à niveau majeure, car la dure réalité du changement climatique signifie que les batteries lithium-ion doivent alimenter non seulement nos appareils, mais également nos voitures. C’est beaucoup plus difficile.

Les batteries lithium-ion sont devenues la forme préférée de stockage d’énergie car elles ont une densité d’énergie extrêmement élevée, ce qui signifie qu’elles peuvent stocker beaucoup d’énergie dans un volume relativement petit. Le lithium lui-même est le métal le plus léger du tableau périodique, ce qui rend les batteries lithium-ion particulièrement portables. Cependant, comme la technologie a été intégrée aux véhicules électriques (VE), ces batteries ont été poussées à leurs limites.

Ils ne peuvent être chargés et déchargés qu’un certain nombre de fois, et nous avons peut-être atteint la limite supérieure de leur capacité de stockage. C’est l’une des plus grandes préoccupations des gens avec les véhicules électriques, car plus de capacité équivaut à plus d’autonomie. Les batteries prennent également beaucoup de place dans les voitures que nous avons déjà, ce qui signifie que nous ne pouvons pas simplement ajouter plus de batteries pour obtenir plus d’autonomie.

Donc, si cette révolution des véhicules électriques doit réussir, les batteries doivent s’améliorer. Vous devez aller plus loin et peser moins sur une seule charge. Les batteries des véhicules électriques doivent également être moins susceptibles de s’enflammer, un problème rare mais très inquiétant. (Les voitures à essence et hybrides présentent également des risques d’incendie.) Chevy a récemment dû rappeler chaque Chevrolet Bolt qu’elle a jamais vendue en raison des risques d’incendie de la batterie. Les batteries lithium-ion des voitures d’aujourd’hui pourraient également bénéficier de nouveaux composants de base. Ils sont actuellement fabriqués à partir de matériaux rares comme le cobalt et le nickel, qui deviennent de plus en plus chers.

La course pour résoudre ces problèmes s’accélère. Les fabricants de batteries de longue date comme CATL et LG Energy Solution repensent la chimie de base des batteries pour les faire mieux fonctionner dans les véhicules électriques. Pendant ce temps, Ford et GM investissent dans de nouvelles recherches sur les batteries dans l’espoir de donner un avantage à Tesla. Même le gouvernement s’en mêle : en mars, le président Joe Biden a invoqué le Defense Production Act – une loi de 1950 qui permet au président de stimuler la production nationale de certains produits en cas d’urgence – pour augmenter l’approvisionnement du pays en Métaux et matériaux rares utilisés dans les véhicules électriques.

C’est bien beau, mais le temps presse. Le changement climatique ne fait que s’accélérer et chaque nouvelle voiture alimentée par des combustibles fossiles exacerbera la menace. Heureusement, une meilleure technologie de batterie n’est pas seulement en cours de développement ; ça commence à arriver sur le marché.

La batterie lithium-ion, expliquée

Les véhicules électriques ne sont pas alimentés par une grosse batterie, mais par des milliers de cellules plus petites. Chaque cellule comporte quatre composants clés qui composent une batterie : une anode, une cathode, un séparateur et un électrolyte, qui est généralement un liquide. Pour alimenter un appareil comme une voiture, Les atomes ou molécules chargés, appelés ions, se déplacent à travers l’électrolyte de l’anode à la cathode, libérant leurs électrons supplémentaires et générant de l’électricité. Pour charger une batterie, c’est l’inverse qui se produit : les électrons circulent dans la batterie et les ions refluent de la cathode vers l’anode, créant une énergie potentielle qui peut ensuite décharger la batterie.

Dans les batteries lithium-ion, ces ions sont naturellement des ions lithium. Sony a vendu la première batterie lithium-ion pour l’un de ses caméscopes, et la technologie des batteries est rapidement devenue omniprésente dans l’électronique grand public. En partie parce qu’elles sont si répandues maintenant, les constructeurs automobiles se tournent vers les batteries lithium-ion pour alimenter leurs voitures électriques. Pour ce faire, ils emballent généralement des dizaines de cellules de batterie lithium-ion dans des boîtiers de protection plus grands, appelés modules. Ces modules sont ensuite assemblés dans une batterie encore plus grande qui alimente le véhicule électrique.

Cependant, les batteries lithium-ion ne sont pas exactement parfaites pour les véhicules électriques. Mis à part le risque improbable mais réel de s’enflammer, le véhicule électrique moyen a une autonomie de 260 miles. C’est suffisant pour se déplacer pour les trajets quotidiens, mais inquiète de nombreux cyclistes lors d’excursions à plus longue distance.

Le lithium lui-même a également quelques problèmes. L’extraction du lithium n’est pas particulièrement respectueuse de l’environnement, et actuellement il n’y a pas assez de mines de lithium dans le monde pour fournir suffisamment de matériel pour le nombre de batteries de véhicules électriques dont nous aurons probablement besoin. On s’inquiète également de plus en plus d’autres métaux couramment utilisés dans les batteries lithium-ion, à savoir le cobalt, qui est principalement extrait en République démocratique du Congo et a été lié au travail des enfants et aux droits de l’homme.

Nouveaux matériaux

Un moyen relativement simple de construire une meilleure batterie consiste à incorporer différents matériaux dans la technologie lithium-ion traditionnelle. Les nouveaux matériaux ont leurs propres avantages et inconvénients, et certaines combinaisons pourraient être mieux adaptées aux véhicules électriques que d’autres.

L’une de ces combinaisons est appelée batterie au lithium fer phosphate, qui intègre des matériaux moins coûteux dans la cathode de la batterie. Bien que ces batteries ne puissent pas contenir autant d’énergie que les autres batteries lithium-ion, elles permettent aux constructeurs automobiles de construire plus de batteries pour moins d’argent, et donc d’offrir plus de véhicules électriques à un prix inférieur. Les batteries au lithium fer phosphate sont déjà largement utilisées en Chine, et Tesla a annoncé l’automne dernier qu’elle utiliserait la chimie dans ses véhicules standard.

Une autre approche modifie les matériaux de l’anode de la batterie. De nombreuses batteries lithium-ion ont actuellement des anodes en graphite car elles sont relativement bon marché et durent longtemps. Mais une poignée de startups utilisent à la place du silicium, le même matériau utilisé pour fabriquer des puces informatiques. Les batteries avec des anodes en silicium peuvent contenir dix fois la charge des anodes en graphite, augmentant ainsi la capacité énergétique totale d’une batterie. Des entreprises comme Sila Nanotechnologies, NEO Battery Materials et Enovix perfectionnent leurs conceptions.

Une idée solide

Comme son nom l’indique, une batterie à semi-conducteurs utilise un électrolyte solide au lieu de l’électrolyte traditionnel. Ce matériau solide n’est pas un énorme bloc mais une couche de matériau comme le verre ou la céramique. Les électrolytes solides sont plus compacts, ce qui signifie que les batteries à semi-conducteurs peuvent être plus petites et stocker plus d’énergie. Un autre avantage est que les électrolytes solides ne sont pas aussi inflammables que les batteries lithium-ion traditionnelles et ne nécessitent pas la même infrastructure de refroidissement.

Les batteries à semi-conducteurs se heurtent encore à de réels obstacles. Ils sont chers et difficiles à produire en masse, donc jusqu’à présent, ils sont principalement apparus dans les laboratoires. Un autre défi est que de nombreuses conceptions de batteries à semi-conducteurs ont une anode au lithium métal au lieu de graphite. Ce lithium métallique forme parfois des dendrites, des branches de métal qui suintent de l’anode dans l’électrolyte, ce qui peut fissurer et court-circuiter une batterie à semi-conducteurs.

Cela ne fait pas de ces batteries une impasse. Ils ont déjà été intégrés dans certains stimulateurs cardiaques, prototypes d’écouteurs et autres appareils électroniques, et maintenant les géants de l’automobile explorent comment adapter la technologie afin qu’elle puisse éventuellement fonctionner dans les voitures. Il y a déjà des signes de progrès encourageants : Volkswagen, Ford et Stellantis ont tous investi dans la technologie. Toyota prévoit de lancer un véhicule hybride qui utilise une batterie à semi-conducteurs d’ici 2025, et Nissan espère lancer un véhicule électrique qui utilise des batteries à semi-conducteurs d’ici 2028. et chargez plus rapidement que les autres batteries – lorsqu’elles sont combinées avec une autre idée : une batterie qui n’a pas du tout besoin d’anode.

Batteries en forme de voiture

Enfin, les batteries lithium-ion peuvent ne pas ressembler du tout à des batteries. Vous pourriez simplement faire partie de ce qui les motive. C’est l’idée derrière les batteries structurelles, où une batterie est aussi une autre partie d’un véhicule, comme la carrosserie d’une voiture ou le fuselage d’un avion.

Cela pourrait relever un défi fondamental avec les batteries, à savoir qu’elles sont incroyablement grandes et lourdes. Si une pièce de véhicule pouvait également servir de source d’alimentation, la taille globale d’un véhicule électrique pourrait théoriquement être réduite. Cela signifierait également utiliser moins de matières premières dans l’ensemble.

Ce concept est progressivement adopté dans les véhicules déjà en circulation. Tesla a développé une nouvelle batterie structurelle qui se fixe directement aux sièges à l’intérieur son véhicule modèle Y. Volvo prévoit également de réduire l’empreinte de ses batteries en les concevant pour soutenir également le plancher de leurs voitures, et GM déploie déjà des véhicules électriques qui utilisent des batteries pour renforcer le châssis de leurs véhicules. Cela peut sembler être des ajustements mineurs pour le moment, mais cela pourrait ouvrir la voie à des voitures entièrement alimentées par leurs propres châssis, et peut-être même à des avions.

Le boom de la batterie s’agrandit

Conduire des véhicules sera une tâche herculéenne pour les batteries, mais pas la seule. Pour s’éloigner des combustibles fossiles, nous devons utiliser des sources d’énergie renouvelables comme l’énergie solaire et éolienne. Mais parce que le soleil et le vent ne sont pas toujours là quand nous avons besoin d’électricité, nous devons stocker l’énergie qu’ils fournissent quand nous en avons besoin. Cela signifie que nos maisons, nos villes et même le réseau électrique ont besoin de batteries vraiment très grosses.

Ces batteries n’ont pas forcément les mêmes exigences que les batteries utilisées dans les voitures, tout comme les batteries que nous utilisons dans les voitures n’ont pas les mêmes exigences que les batteries qui alimentent nos téléphones. Après tout, une batterie qui stocke de l’énergie pour votre maison n’a pas besoin d’être particulièrement légère – elle ne bouge pas – ni d’être chargée rapidement. Cela signifie que ces batteries n’ont pas nécessairement besoin de lithium et pourraient même fonctionner avec des alternatives émergentes comme le sodium et le zinc. Mais même si ces batteries individuelles ne seront pas toutes identiques, elles joueront toutes un rôle essentiel pour alimenter l’avenir et ralentir le changement climatique.

Au moins pour l’instant. Il est tout à fait possible qu’à l’avenir nous alimentions nos voitures avec des carburants futuristes ou peut-être même des réacteurs nucléaires portables. Mais tout indique que ces technologies ne seront pas prêtes de si tôt. Pour le moment, la batterie est la meilleure que nous ayons.

oigari