L'évolution des batteries de véhicules électriques : Du plomb-acide au lithium-ion

Introduction

Le développement des véhicules électriques (VE) a connu une transformation remarquable au fil des ans, et au cœur de cette évolution se trouve la technologie des batteries qui alimentent ces véhicules. Cet article propose un voyage dans le temps pour explorer l'évolution des batteries de véhicules électriques, depuis les débuts des batteries plomb-acide jusqu'à l'ère moderne dominée par la technologie lithium-ion.

Batteries plomb-acide : Les pionniers

À la fin du XIXe siècle, les batteries plomb-acide sont devenues les premières batteries largement utilisées pour les véhicules électriques. Ces batteries utilisaient une réaction chimique entre le dioxyde de plomb (plaque positive), le plomb spongieux (plaque négative) et un électrolyte d'acide sulfurique pour générer de l'énergie électrique. Elles ont joué un rôle crucial dans toute une série d'applications à l'époque.

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Figure 1. Structure typique des batteries plomb-acide

Cependant, ces premiers VE étaient confrontés à des limitations importantes dues à la technologie de l'époque. La densité énergétique et l'autonomie limitées les empêchaient d'être pratiques pour les longs trajets ou les déplacements interurbains. En outre, l'infrastructure de recharge était pratiquement inexistante à l'époque, et la recharge prenait beaucoup de temps. Ce manque de commodité limitait encore l'intérêt pratique des VE.

Malgré ces difficultés, les batteries plomb-acide sont toujours utilisées aujourd'hui. On les trouve couramment dans diverses applications, notamment les batteries de démarrage automobile, les alimentations sans interruption (ASI) et les systèmes d'énergie renouvelable hors réseau.

Batteries nickel-hydrure métallique : Un pas en avant

Au début du^XXe siècle, Thomas Edison a mis au point la batterie nickel-fer. Cette batterie rechargeable repose sur une réaction électrochimique entre une électrode positive d'oxyde de nickel et d'hydroxyde (NiOOH), une électrode négative d'hydrure métallique (MH) et un électrolyte alcalin. Bien que les batteries nickel-hydrure métallique, ou batteries NiMH, offrent une densité énergétique plus élevée et une plus grande autonomie, elles ne sont pas devenues la norme pour les VE.

Les batteries au lithium-ion : Le changement de donne

Le 21e siècle a été le témoin d'un changement remarquable dans la technologie des batteries de VE avec l'adoption généralisée des batteries lithium-ion. Elles offrent une densité énergétique plus élevée, une plus grande autonomie et une charge plus rapide, ce qui en fait la norme pour les véhicules électriques modernes. Pendant la charge, les ions lithium (Li+) se déplacent de la cathode à l'anode à travers l'électrolyte, stockant l'énergie. Lors de la phase de décharge, ces ions Li+ retournent à la cathode, générant un courant électrique[2].

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Figure 2. Structure des piles au lithium-ion

Les batteries lithium-ion se distinguent par leurs caractéristiques exceptionnelles et leur diversité. Elles se distinguent par leur densité énergétique élevée, leur durabilité et leur faible taux d'autodécharge, qui leur permet de conserver leur charge au fil du temps. La cathode des batteries lithium-ion est composée de différents matériaux tels que l'oxyde de cobalt lithium (LiCoO2) pour l'électronique grand public, le phosphate de fer lithium (LiFePO4) pour les véhicules électriques, et l'oxyde de manganèse lithium nickel cobalt (NCM) ou l'oxyde d'aluminium lithium nickel cobalt (NCA) pour un équilibre entre l'énergie et la densité de puissance.

Cette polyvalence permet aux batteries Li-ion d'alimenter diverses applications, des gadgets grand public aux véhicules électriques, et stimule les innovations en cours, notamment les batteries à l'état solide et les efforts de réduction du cobalt, afin d'accroître encore leurs capacités et leur durabilité.

L'avenir des batteries pour véhicules électriques :

L'évolution des batteries pour véhicules électriques est loin d'être terminée, et l'avenir offre des perspectives passionnantes.

lBatteries à l'état solide : Le développement des batteries lithium-ion à l'état solide représente une avancée significative dans la technologie des batteries. Ces batteries promettent une densité énergétique plus élevée, une sécurité accrue et une durée de vie prolongée par rapport aux batteries traditionnelles à électrolyte liquide.

lCobalt réduit : Alors que les préoccupations environnementales et éthiques liées à l'extraction du cobalt persistent, des efforts sont en cours pour réduire ou éliminer le cobalt dans les batteries lithium-ion. Ces efforts visent à créer des chimies de batteries plus durables et plus responsables, en minimisant l'impact environnemental et social associé à l'extraction du cobalt.

lChargement rapide : Les progrès rapides de la technologie de charge rapide révolutionnent les VE en rendant la recharge aussi pratique que le ravitaillement en carburant des véhicules traditionnels. L'infrastructure de charge rapide continue de se développer, réduisant considérablement les temps de charge et éliminant l'un des principaux obstacles à l'adoption des VE.

Conclusion

En résumé, l'évolution des batteries de véhicules électriques a été marquée par des progrès significatifs, la technologie lithium-ion dominant actuellement le marché. Au fur et à mesure que la technologie progresse, l'avenir des batteries pour véhicules électriques promet une densité énergétique encore plus grande, une charge plus rapide et une durabilité améliorée.

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Référence :

[1] Manhart, Andreas & Magalini, Federico & Hinchliffe, Daniel. (2018). Gestion de la fin de vie des batteries dans le secteur solaire hors réseau Comment traiter les déchets dangereux des batteries provenant des projets d'énergie solaire dans les pays en développement ? Publication commandée par : GIZ Sector Project Concepts for Sustainable Solid Waste Management and Circular Economy ; élaboré en collaboration avec Energising Development (EnDev).

[2] Madian, M. ; Eychmüller, A. ; Giebeler, L. Current Advances in _TiO2-Based Nanostructure Electrodes for High Performance Lithium Ion Batteries, Batteries 2018, 4, 7. https://doi.org/10.3390/batteries4010007