Batteries pour voiture électrique : autonomie, matières premières et recyclage

Des batteries puissantes sont le facteur décisif pour passer des voitures à moteur à combustion aux modèles à propulsion électrique. Les personnes qui achètent un véhicule à batterie s’attendent à disposer d’une batterie avec la plus grande autonomie possible, combinée à une longue durée de vie. En effet, lors de sa production, une voiture électrique génère tout d’abord plus de CO₂ qu’une voiture à combustion comparable. Selon un calcul du TCS, les modèles les plus vendus actuellement compensent leur bilan carbone plus élevé au bout d’environ 30 000 kilomètres. La plupart des constructeurs offrent actuellement une garantie de huit ans ou de 160 000 kilomètres. Mais dans la pratique, les batteries des e-véhicules ont une durée de vie nettement plus longue, à savoir environ 1000 cycles de recharge ou 400 000 kilomètres.

Deuxième vie et recyclage

Que se passera-t-il quand, au bout de dix ans, toute une génération de batteries sera mise au rebut? La Fondation Auto Recycling Suisse ne se montre pas inquiète: «Nous sommes prêts à recevoir de plus grandes quantités de batteries usagées», déclare le directeur Daniel Christen. «Lorsque la capacité d’une batterie tombe en dessous de 70% et qu’elle a donc fait son temps dans le véhicule, il y a d’abord l’option de lui donner une seconde vie comme batterie de stockage stationnaire.» Par exemple dans des bâtiments équipés d’installations photovoltaïques, mais aussi dans des stations de recharge ou dans des centrales électriques comme tampon pour les pics de charge. Il est même étonnant de constater que les batteries «récupèrent», car elles ne sont plus soumises à de fortes sollicitations, à des vibrations ou à des variations de température. Mais cette utilisation a elle aussi une fin. Il s’agit ensuite de recycler la batterie.

Des pionniers suisses innovants

Ce qui fonctionne déjà aujourd’hui avec les batteries lithium-ion des smartphones et des ordinateurs portables est encore plus simple pour les batteries de véhicules. Ces dernières sont effet standardisées pour de nombreux modèles de véhicules et il est donc plus facile de les recycler. Kyburz Switzerland est l’une des premières entreprises suisses à récupérer dès aujourd’hui plus de 90% des matières premières contenues dans ses propres batteries lithium-phosphate de fer. Celles-ci sont surtout utilisées dans les scooters Mobility ou les véhicules de livraison à trois roues de la Poste.

Fondée en 2021, la start-up Librec veut recycler les batteries de différentes voitures électriques dans une nouvelle usine de recyclage dans le canton de Soleure. Elle entend ainsi récupérer au moins 90% des matières premières. À partir de 2024, l’installation pourrait recycler chaque année environ 300 tonnes de batteries provenant de 1000 voitures électriques, et ce volume devrait être multiplié par dix d’ici 2031. La rentabilité du recyclage dépend du prix des matières premières et des incitations réglementaires, telles que les taxes d’élimination anticipées. Parallèlement, les fabricants de batteries et les universités mènent des recherches intenses en vue de réduire la part de métaux coûteux et dangereux pour l’environnement. La start-up munichoise STABL Energy GmbH travaille également sur un concept de seconde vie durable pour les batteries de voiture. Avec le soutien du fonds Smart Energy pour l’innovation, elle développe un onduleur multiniveaux modulaire: lorsque plusieurs batteries sont connectées en série, les batteries moins puissantes ont un impact négatif sur la puissance totale. Si une cellule tombe en panne, c’est tout le bloc de batteries qui s’arrête. Par conséquent, la performance d’une batterie de stockage dépend de celle de son composant le plus faible. Au lieu d’un système statique, STABL relie donc les différents modules entre eux de manière dynamique. Ainsi, les différentes capacités de puissance sont équilibrées et harmonisées.

Composants problématiques

Actuellement, la fabrication des batteries est encore très gourmande en énergie et génère entre 150 et 200 kilogrammes d’équivalent CO₂ par kilowattheure de capacité. Les matières premières nécessaires, comme le lithium, le cobalt, le nickel, le manganèse, le cuivre, l’aluminium et le graphite, laissent une empreinte écologique et sociale lors de leur extraction et de leur transport. Ainsi, environ 60% du cobalt extrait dans le monde provient du Congo, où des normes sociales et de sécurité acceptables font défaut. L’extraction de lithium à partir de saumures salines dans les Andes fait l’objet de critiques en raison de la consommation élevée d’eau.

Selon un rapport de l’Agence internationale de l’énergie de mai 2021, une batterie lithium-ion courante de 75 kWh contient: 5,7 kg de manganèse, 6,15 kg de cobalt, 7,2 kg de lithium, 22 kg de cuivre, 49 kg de nickel et 65 kg de graphite. L’extraction de ces matières premières consomme environ 12 000 litres d’eau et la fabrication de la batterie entraîne une émission de 7,5 tonnes de CO₂.

Une batterie ou dix avocats

Des études récentes montrent néanmoins que les effets de l’extraction du lithium sur l’environnement sont moins graves que ce que l’on pensait jusqu’à présent. Selon Maximilian Fichtner, chimiste et chercheur renommé dans le domaine des batteries, l’extraction de six kilogrammes de lithium pour une batterie de 60 kWh ne consomme «que» 5000 litres d’eau environ, soit à peu près la même quantité que la production de dix avocats, de la moitié d’un pantalon en jean ou de 250 grammes de steak. L’extraction du cobalt et du cuivre serait beaucoup plus problématique. Les nouvelles générations de batteries doivent donc, dans la mesure du possible, s’en passer. Tesla a ainsi déjà réduit massivement la part de cobalt dans ses batteries: près de la moitié des nouveaux modèles produits ne contiennent plus de cobalt. Et Jeffrey Brian Straubel, l’ancien directeur technique de Tesla, a créé Redwood Materials, une entreprise de recyclage. Celle-ci devrait être en mesure de recycler les batteries d’un million de véhicules électriques d’ici 2025.

Comment fonctionne le recyclage des batteries?

Les cellules de batterie usagées sont d’abord complètement déchargées, détachées de leur «emballage» et ensuite broyées en granulés dans un circuit hermétique. On parle d’un procédé inerte, dans lequel aucune réaction chimique ne se produit entre les substances qui s’échappent. Ensuite, l’installation distille le liquide électrolytique des granulés dans la cuve sous vide. Il ne reste alors que des scories contenant des éléments réutilisables, comme le cobalt, le nickel ou le manganèse.

Une avancée pour les batteries au sodium à l’état solide

Le plus grand fabricant de batteries au monde, Catl, a l’intention de démarrer la production de masse de batteries sodium-ion en Chine à partir de 2023. Cette technologie de batterie est basée sur le sel de cuisine et ne nécessite pas de lithium, de cobalt, de nickel ou de cuivre. Les batteries sodium-ion devraient donc pouvoir être produites localement à des prix plus bas et en quantités pratiquement illimitées. Seul point délicat: en raison de leur densité énergétique plus faible, les piles salines nécessitent actuellement davantage de volume. Jusqu’à récemment, elles étaient donc destinées à une utilisation stationnaire. Une prochaine génération de modules denses devrait toutefois égaler, voire dépasser, les batteries lithium-ion.

Une autre évolution prometteuse se dessine dans le domaine des batteries dites «solides». Certes, celles-ci reposent toujours sur la technologie lithium-ion. L’électrolyte liquide est toutefois remplacé par une fine couche d’électrolyte solide ininflammable. Ainsi, les batteries à l’état solide n’ont pas besoin d’être refroidies et peuvent être construites de manière plus compacte. De plus, elles peuvent être facilement remplacées au lieu d’être chargées dans le véhicule. Le fabricant Nio a déjà mis en place un réseau de stations d’échange en Chine et entend conquérir le marché européen avec ses nouveaux modèles d’ici 2024. Nous sommes impatients d’en savoir plus.