Voitures électriques : voici les différentes technologies de batteries (sodium, solides, LFP, NMC, NCA…) et leurs avantages

La pièce maîtresse d’un véhicule électrique est sans aucun doute sa batterie. C’est à la fois cette dernière qui permet au véhicule d’avancer, mais aussi bien évidemment de se recharger. Mais entre une Renault Zoe et une Tesla Model S, de nombreuses différences existent au niveau de la batterie.

Nous allons revenir en détail dans ce dossier sur les différentes chimies et technologies utilisées dès aujourd’hui, et verrons celles qui sont prévues dans le futur. Si les termes NMC, LFP, batteries sodium-ion ou encore batteries solides vous sont inconnus, vous êtes au bon endroit, on vous explique tout.

Les batteries utilisant du cobalt : NCA et NMC

Deux des chimies les plus populaires depuis l’arrivée des batteries lithium-ion à bord des voitures électriques sont respectivement nickel-manganèse-cobalt (NMC) et nickel-cobalt-aluminium (NCA). Comme leur nom l’indique, elles utilisent du cobalt dans leur composition.

En particulier, le cobalt sert comme base de matériau pour leur cathode, qui est la partie d’une cellule qui détermine sa capacité. Le gros avantage d’utiliser du cobalt pour la cathode est double : la densité énergétique est excellente (c’est-à-dire le nombre de kilowattheures stockés par kilogramme de batterie est plus élevé), et le système de gestion de la batterie (BMS) est bien plus précis sur le niveau de charge restant.

Les batteries NMC et NCA ont également une très bonne capacité de décharge à haute température, c’est pourquoi les véhicules électriques qui ont un profil sportif tendent à les utiliser. C’est notamment le cas des dernières Tesla Model S Plaid, ou bien Tesla Model Y Performance.

Le cobalt présent de la cathode soulève toutefois plusieurs débats, à la fois économiques et éthiques. En effet, il s’agit d’un minerai extrait principalement au Congo, et par le passé, certaines exploitations minières illégales ont été pointées du doigt pour leurs conditions de travail désastreuses. Nous avons d’ailleurs tenté d’apporter quelques éléments de réponse sur l’exploitation du cobalt et le côté « propre » de la voiture électrique dans un dossier dédié.

Aussi, en termes de coûts, l’exploitation du cobalt est bien plus onéreuse que celle des autres minerais. À titre d’exemple, le cobalt est environ deux fois plus cher que le nickel, quinze fois plus cher que l’aluminium, et jusqu’à mille fois plus cher que le manganèse. Pour ces raisons à la fois éthiques et financières, les constructeurs tendent à se passer du cobalt dans leurs batteries lithium-ion, en développant des alternatives aux batteries NMC et NCA qui utilisent moins de cobalt ou pas du tout.

Par exemple, certains fabricants utilisent des cathodes actives à base de lithium-fer-phosphate (LiFePO4), qui n’utilisent pas de cobalt, et c’est ce sur quoi nous allons revenir ci-dessous.

Lithium-fer-phosphate : l’optimisation des coûts, avec quelques avantages et inconvénients

Que ce soient pour des raisons éthiques ou bien financières, limiter l’utilisation du cobalt est une stratégie régulièrement adoptée par les géants du secteur des batteries électriques. La chimie la plus populaire de ces dernières années faisant abstraction totale du cobalt est la batterie lithium fer phosphate (LFP, ou encore LiFePO4), dont la cathode active est bien différente des batteries NMC et NCA.

Si le coût d’une batterie représente généralement près de la moitié du coût total d’une voiture électrique pour le constructeur, utiliser une batterie LFP prend alors tout son sens. En effet, il est estimé une réduction des coûts au kilowattheure de l’ordre de 30 à 40 % pour les fabricants qui utilisent des batteries LFP plutôt que NMC ou NCA si l’on en croit les déclarations de Ford.

Ainsi, utiliser une batterie de 60 kWh environ dans une Tesla Model Y Propulsion ou une MG4, lorsque le but est de proposer un véhicule à un prix contenu oblige quasiment à utiliser une batterie LFP. Mais quels sont les désavantages de cette technologie ?

Inconvénients des batteries LFP

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Tout d’abord, la densité énergétique est moins importante que celle des batteries utilisant du cobalt. À titre d’exemple, sur les Tesla Model 3, la batterie de la version Propulsion est une LFP de 60 kWh, là où la batterie de la version Grande Autonomie est une NCA de 79 kWh. Alors que la batterie LFP ne contient que 75 % de l’énergie de la batterie NCA, le poids total du véhicule n’est que 5 % moins important.

Étant donné qu’à énergie équivalente, les batteries LFP sont plus lourdes, les performances s’en ressentent forcément. C’est pourquoi la plupart des constructeurs réservent les batteries LFP à leurs modèles d’entrée de gamme lorsqu’il y en a, ou bien à des véhicules qui n’ont pas vocation à battre des recors d’accélération.

Les utilisateurs de voiture électrique qui vivent dans des climats très froids auront plus de mal à être satisfaits des batteries LFP par rapport aux batteries NMC ou NCA, car la tenue dans le froid des batteries LFP est bien inférieure. Globalement, l’adage disant que « les LFP n’aiment pas le froid » est assez réaliste, que ce soit en utilisation courante ou bien en charge rapide comme le montre Ford. C’est d’ailleurs l’un des points forts des Tesla qui utilisent les batteries LFP : le préchauffage de la batterie est automatique lorsque la destination est un chargeur rapide, et cela est indispensable.

Quels avantages pour les batteries LFP ?

Si les batteries NMC et NCA l’emportent au niveau des performances et de la densité énergétique, les batteries LFP ont tout de même plusieurs avantages pour le constructeur comme pour le client final. En effet, la longévité des batteries LFP est bien plus importante que celle des batteries NMC et NCA, puisque les études estiment que le nombre de cycles de décharge des cellules LFP est environ quatre fois plus important que celui des cellules NMC ou NCA avant qu’elles ne soient plus opérationnelles.

Lorsque les constructeurs offrent une garantie qui atteint parfois huit ans et 1 million de kilomètres pour les batteries, utiliser des cellules LFP les assure de ne pas avoir trop de prise en charge en garantie durant cette période, étant donné que la tenue dans le temps des batteries est bien meilleure. Les batteries LFP sont également plus sûres que les batteries utilisant du cobalt, avec un risque d’incendie bien moins important.

Enfin, là où les batteries NMC et NCA doivent avoir une limite de charge au quotidien à 90 % au maximum la plupart du temps, les batteries LFP quant à elles peuvent — ou doivent — être rechargées à 100 %. Pour le client final, il est intéressant de pouvoir charger son véhicule à 100 % quotidiennement au cas où il souhaite utiliser l’intégralité de son autonomie. Mais l’intérêt principal est pour le système de gestion de la batterie, qui a besoin de mesurer avec précision la capacité des cellules : lorsque ce sont des cathodes dénuées de cobalt, seule une mesure fréquente à 100 % de batterie permet d’avoir des informations exactes.

Notez enfin qu’une évolution des batteries LFP, intégrant du manganèse, est en train de gagner en popularité. Il s’agit de batteries LMFP ou LFMP, qui permettent d’améliorer la densité énergétique des batteries LFP à moindre coût, car le manganèse est relativement peu onéreux.

Si les batteries NMC, NCA et LFP sont celles qui représentent la quasi-totalité des véhicules électriques aujourd’hui, de nouvelles technologies de batteries lithium-ion sont actuellement à l’étude : les batteries solides, semi-solides ainsi que les batteries sodium qui arrivent dans les voitures en 2023.

Les batteries solides et semi-solides

Le batteries solides sont une avancée technologique de taille dans le monde des batteries lithium-ion, et nous avions récemment consacré un dossier complet sur ce que cela permet pour les constructeurs. Le principe des batteries solides ou semi-solide est le suivant : contrairement aux batteries lithium-ion plus conventionnelles, il n’y a pas de solution électrolytique, mais un composé inorganique solide le remplace. Les ions ne se déplacent plus de l’anode à la cathode en réchauffant un liquide, ce qui limite drastiquement la probabilité d’incendie.

Ainsi, les batteries solides offrent une sécurité significativement plus importante que les batteries lithium-ion utilisées jusqu’à présent. L’avantage qui découle de cette sécurité accrue est la densité énergétique qui est améliorée. En effet, de nombreux dispositifs présents dans le système de gestion des batteries lithium-ion liquides pour prévenir les risques d’incendie deviennent inutiles sur les batteries solides, ce qui libère une place conséquente au sein d’un pack de batteries.

Avec parfois plusieurs milliers de cellules qui ont chacune des composants spécifiquement manufacturés pour prévenir les risques d’incendie, libérer toute cette place permet aux véhicules équipés de batteries solides d’afficher des autonomies dépassant aisément celles des batteries lithium-ion liquides.

Si les batteries solides représentent aujourd’hui ce que l’on imagine de meilleure pour les voitures électriques du futur, elles sont encore relativement coûteuses à produire et sont en phase de développement, ce qui limite leur utilisation dans les véhicules de production en série pour le moment.

Certains constructeurs se penchent alors sur les batteries semi-solides, dont l’électrolyte est toujours liquide, mais qui n’utilisent pas de liant, permettant ainsi de proposer une densité énergétique bien meilleure. Nous pouvons notamment citer le constructeur chinois Nio, qui utilise d’ores et déjà des batteries semi-solides dans son ET7 embarquant 150 kWh de batteries.

Bien que révolutionnaires, les batteries solides et semi-solides utilisent toujours un élément qui fait débat : le lithium. Mais nous allons voir qu’une alternative existe, pour permettre aux constructeurs de mettre en avant les deux plus gros avantages des véhicules électriques : le coût et l’impact environnemental.

Les alternatives au lithium : le sodium

Toutes les technologies de batteries citées plus haut ont un point commun : l’utilisation du lithium. Généralement présent dans des quantités significatives (plusieurs kilogrammes pour un pack de batteries), le lithium reste un élément qui fait débat au sein des géants du secteur. En effet, le lithium est majoritairement extrait en Australie et au Chili (autour de 70 % de la production mondiale), bien loin des usines de fabrication de batteries.

Il est ainsi nécessaire d’acheminer le lithium extrait à des milliers de kilomètres de là, ce qui augmente significativement le bilan carbone d’une batterie de voiture électrique. En outre, les conditions d’exploitation du lithium peuvent avoir un impact négatif sur l’environnement proche à cause de l’approvisionnement en eau nécessaire aux industries minières.

Un élément bien plus commun sur la planète pourrait permettre à l’industrie de se détacher de sa dépendance au lithium : le sodium. En effet, des batteries sodium-ion commencent à voir le jour, et leur fonctionnement ne diffère que très peu des batteries lithium-ion. La composition chimique de la cathode et de l’anode utilise toujours différents métaux (aluminium, manganèse…), et elle intègre également du sodium, en remplacement du lithium.

Le principal avantage des batteries sodium-ion pour les constructeur est financier, étant donné l’abondance du sodium sur la planète, il n’est que très peu coûteux à exploiter. Les estimations annoncent que le sodium est entre trois cent et mille fois plus abondant que le lithium, et le sodium se trouve sous de nombreux aspects (dans l’eau de mer, ou encore sous forme de chlorure de sodium).

Même si la densité énergétique des batteries sodium-ion est plus faible que les autres types de batteries, elles commencent à arriver sur le marché. À l’heure actuelle, deux voiture électriques intègrent des batteries sodium en Chine. Il s’agit d’une voiture électrique conçue par un constructeur appartenant à Renault, ainsi qu’une voiture chinoise conçue en collaboration avec Volkswagen.

Les batteries lithium-ion offrent aujourd’hui une densité jusqu’à deux fois plus importante que les batteries sodium-ion, mais cette densité devrait s’améliorer. Pour le moment, le sodium est réservé aux petites voitures électriques qui n’annoncent pas des autonomies révolutionnaires.

Quelle est la meilleure batterie de voiture électrique ?

La recherche de la batterie parfaite pour la voiture électrique est loin d’être terminée, comme nous avons pu le voir. Différentes chimies existent en grande série dès aujourd’hui, qui utilisent parfois du cobalt, et d’autres fois en font l’abstraction.

Dans un souci de réduction de coûts, les batteries LFP permettent au constructeur de proposer des véhicules moins onéreux, mais qui ne peuvent pas atteindre les performances des batteries NMC ou NCA.

Les batteries solides semblent être ce que beaucoup attendent, tant en termes de performances, d’autonomie et de sécurité, mais ne restent pour le moment pas prêtes à une production de masse. Le futur nous réservera peut-être des surprises, notamment grâce aux batteries sodium-ion qui pourraient permettre à de nombreux pays de sortir de leur dépendance au lithium.

Pour aller plus loin
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