Avec les nouvelles batteries à état solide, Toyota vise une autonomie folle !

Bien que cela reste actuellement au stade de la recherche et du développement, Toyota fait preuve d'un engagement sans équivoque envers les véhicules électriques. La société prévoit d'investir massivement à moyen terme et ne négligera pas pour autant les modèles à hydrogène. Tout en lançant son premier véhicule électrique, le bZ4X, Toyota s'attache également à proposer des batteries plus performantes pour ses futurs véhicules électriques.

En se basant sur l'autonomie officielle annoncée du bZ4X, soit 615 kilomètres (CLTC), Toyota mise notamment sur le développement de batteries à état solide. La société japonaise vise ainsi à augmenter l'autonomie des véhicules équipés de ces batteries de 20 % par rapport au bZ4X, permettant ainsi de parcourir plus de 730 kilomètres d'une seule traite, du moins sur le papier. Toutefois, cela reste encore en phase de développement et ces batteries à état solide, qui pourraient bénéficier d'une recharge rapide permettant de passer de 10 à 80 % en seulement 10 minutes, ne seront pas disponibles avant 2027-2028. Toyota envisage également une version encore plus avancée de ces batteries à état solide, capable d'accroître l'autonomie de 50 % par rapport au bZ4X.



Un délai de production divisé par deux ?

En ce qui concerne le développement de ses batteries pour véhicules électriques, Toyota prévoit deux versions améliorées du modèle actuel présent dans le bZ4X d'ici 2026 et 2027. La version "populaire" de cette batterie offrira une augmentation de l'autonomie de 20 %, tout en réduisant les coûts de production de 40 % par rapport à la version actuelle, grâce à l'utilisation d'un accumulateur lithium-fer-phosphate (LFP). Quant à la version "performance", elle bénéficiera également d'une augmentation de 20 % de l'autonomie, mais avec une réduction des coûts de seulement 20 % par rapport au modèle installé dans le bZ4X, en raison de l'utilisation d'une batterie lithium-polymère-nickel-cobalt-manganèse (NCM).

Un dernier projet de batterie, prévu également pour les années 2027-2028, offrira une autonomie supplémentaire de 30 % par rapport au modèle actuellement installé dans le bZ4X. Comme pour la version "performance", la recharge rapide (de 10 % à 80 % d'autonomie) ne prendra qu'une vingtaine de minutes, contre 30 minutes pour la version "populaire". En conclusion, d'ici 2026, Toyota prévoit de proposer un véhicule électrique avec une autonomie dépassant les 1 000 kilomètres CLTC.

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

Le choix du type de batterie est important lorsqu'il s'agit de voitures électriques, toutes les batteries ne se valent pas. Il existe différentes technologies avec des densités énergétiques variables qui influent sur l'autonomie, ainsi que différentes compositions chimiques utilisées par les fabricants. Examinons de plus près les différentes technologies existantes.

La batterie : élément clé des véhicules électriques

La batterie est le composant central d'un véhicule électrique. Elle permet à la voiture de se déplacer et de se recharger. Cependant, il existe de nombreuses différences entre les batteries utilisées dans une Renault Zoe et une Tesla Model S, notamment en ce qui concerne leur composition.

Dans ce dossier, nous explorerons en détail les différentes chimies et technologies utilisées actuellement, ainsi que celles prévues pour le futur. Si vous n'êtes pas familier avec les termes tels que NMC, LFP, batteries sodium-ion ou batteries solides, vous êtes au bon endroit, nous allons tout vous expliquer.

Les batteries utilisant du cobalt : NCA et NMC



Deux des chimies les plus populaires depuis l'introduction des batteries lithium-ion dans les voitures électriques sont le nickel-manganèse-cobalt (NMC) et le nickel-cobalt-aluminium (NCA). Comme leur nom l'indique, elles contiennent du cobalt dans leur composition.

Le cobalt est utilisé comme matériau de base pour la cathode des batteries, qui est la partie d'une cellule qui détermine sa capacité. L'utilisation du cobalt présente deux avantages majeurs : une excellente densité énergétique (c'est-à-dire un plus grand nombre de kilowattheures stockés par kilogramme de batterie) et une gestion de batterie (BMS) plus précise pour surveiller le niveau de charge restant.

Les batteries NMC et NCA offrent également une excellente capacité de décharge à haute température, ce qui explique pourquoi elles sont souvent utilisées dans les véhicules électriques sportifs tels que les dernières Tesla Model S Plaid ou Tesla Model Y Performance.

Cependant, l'utilisation du cobalt soulève des débats, tant sur le plan économique qu'éthique. En effet, le cobalt est principalement extrait en République démocratique du Congo, et par le passé, certaines exploitations minières illégales ont été critiquées en raison de leurs conditions de travail désastreuses. Nous avons d'ailleurs exploré la question de l'exploitation du cobalt et de l'aspect "propre" des voitures électriques dans un dossier dédié.

En termes de coûts, l'extraction du cobalt est bien plus onéreuse que celle d'autres minerais. Par 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 des raisons à la fois éthiques et financières, les constructeurs cherchent à réduire ou à éliminer l'utilisation du cobalt dans leurs batteries lithium-ion en développant des alternatives aux batteries NMC et NCA qui utilisent moins ou pas de cobalt du tout.

Par exemple, certains fabricants utilisent des cathodes à base de lithium-fer-phosphate (LiFePO4), qui n'utilisent pas de cobalt. Nous reviendrons sur ce point ci-dessous.

Lithium-fer-phosphate (LFP) : optimisation des coûts avec des avantages et des inconvénients



Que ce soit pour des raisons éthiques ou financières, la limitation de l'utilisation du cobalt est une stratégie adoptée par les grands acteurs de l'industrie des batteries électriques. La chimie la plus populaire ces dernières années qui exclut totalement le cobalt est la batterie lithium-fer-phosphate (LFP ou LiFePO4), dont la cathode diffère considérablement des batteries NMC et NCA.

Utiliser des batteries LFP a du sens pour les constructeurs, car le coût de la batterie représente généralement près de la moitié du coût total d'une voiture électrique. Selon les déclarations de Ford, l'utilisation de batteries LFP permettrait une réduction des coûts par kilowattheure de l'ordre de 30 à 40 % par rapport aux batteries NMC ou NCA.

Ainsi, pour des véhicules tels que la Tesla Model Y Propulsion ou la MG4, qui visent à proposer des prix abordables, l'utilisation de batteries LFP est quasiment incontournable. Mais quels sont les inconvénients de cette technologie ?

Inconvénients des batteries LFP



Tout d'abord, la densité énergétique des batteries LFP est inférieure à celle des batteries contenant du cobalt. Par exemple, sur les Tesla Model 3, la version Propulsion est équipée d'une batterie LFP de 60 kWh, tandis que la version Grande Autonomie utilise une batterie NCA de 79 kWh. Bien que la batterie LFP ne contienne que 75 % de l'énergie de la batterie NCA, le poids total du véhicule ne diffère que de 5 %.

Étant donné que les batteries LFP sont plus lourdes pour une même quantité d'énergie, cela se traduit par des performances globalement inférieures. C'est pourquoi la plupart des constructeurs réservent les batteries LFP à leurs modèles d'entrée de gamme ou à des véhicules qui ne visent pas les records d'accélération.

Les batteries LFP sont moins performantes que les batteries NMC ou NCA dans des climats très froids, car leur capacité à fonctionner à des températures basses est réduite. Il est donc vrai de dire que "les LFP n'aiment pas le froid", que ce soit pour une utilisation quotidienne ou pour une charge rapide, comme le démontre Ford. C'est d'ailleurs l'un des points forts des Tesla qui utilisent des batteries LFP : la batterie se réchauffe automatiquement avant une charge rapide, ce qui est essentiel.

Quels avantages offrent les batteries LFP ?



Malgré des performances et une densité énergétique inférieures aux batteries NMC et NCA, les batteries LFP présentent plusieurs avantages pour les constructeurs et les clients finaux. Tout d'abord, la durée de vie des batteries LFP est bien plus longue que celle des batteries NMC et NCA. Des études montrent que le nombre de cycles de décharge des cellules LFP est environ quatre fois supérieur à celui des cellules NMC ou NCA avant qu'elles ne deviennent inopérantes.

Lorsque les constructeurs proposent une garantie allant parfois jusqu'à huit ans et 1 million de kilomètres pour les batteries, l'utilisation de cellules LFP réduit considérablement les coûts de garantie, car la durabilité des batteries est bien meilleure. De plus, les batteries LFP sont considérées comme plus sûres que celles utilisant du cobalt, avec un risque d'incendie nettement plus faible.

Enfin, alors que les batteries NMC et NCA doivent être chargées quotidiennement à une limite maximale de 90 %, les batteries LFP peuvent ou doivent être chargées à 100 %. Pour les clients, pouvoir charger leur véhicule à 100 % chaque jour leur permet de bénéficier de toute l'autonomie disponible si nécessaire. De plus, cela est essentiel pour le système de gestion de batterie, qui nécessite une mesure précise de la capacité des cellules. Lorsqu'il s'agit de cathodes sans cobalt, seule une mesure fréquente à 100 % de charge de la batterie permet d'obtenir des informations précises.

Il convient également de noter qu'une évolution des batteries LFP, intégrant du manganèse, gagne en popularité. Les batteries LMFP ou LFMP permettent d'améliorer la densité énergétique des batteries LFP à moindre coût, car le manganèse est relativement peu coûteux.

Bien que les batteries NMC, NCA et LFP dominent actuellement le marché des voitures électriques, de nouvelles technologies de batteries lithium-ion sont en cours d'étude, notamment les batteries solides, semi-solides et les batteries sodium qui feront leur apparition dans les voitures dès 2023.

Les batteries solides et semi-solides



Les batteries solides représentent une avancée technologique majeure dans le domaine des batteries lithium-ion, et nous avons récemment consacré un dossier complet à leurs avantages pour les constructeurs. Le principe des batteries solides ou semi-solides est le suivant : contrairement aux batteries lithium-ion plus conventionnelles, elles n'utilisent pas de solution électrolytique liquide, mais un composé inorganique solide. Les ions ne se déplacent plus de l'anode à la cathode en traversant un liquide, ce qui réduit considérablement le risque d'incendie.

Les batteries solides offrent donc une sécurité bien meilleure que les batteries lithium-ion utilisées jusqu'à présent. L'avantage qui découle de cette sécurité accrue est l'amélioration de la densité énergétique. En effet, de nombreux dispositifs de sécurité présents dans les batteries lithium-ion liquides pour prévenir les risques d'incendie deviennent superflus avec les batteries solides, ce qui libère de l'espace à l'intérieur du pack de batteries.

Ainsi, les véhicules équipés de batteries solides peuvent afficher des autonomies bien supérieures à celles des batteries lithium-ion liquides.

Bien que les batteries solides semblent être la solution tant attendue en termes de performances, d'autonomie et de sécurité, 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 tournent alors vers les batteries semi-solides, qui conservent un électrolyte liquide mais n'utilisent pas de liant, ce qui permet d'obtenir une densité énergétique bien meilleure. Le constructeur chinois Nio utilise déjà des batteries semi-solides dans son modèle ET7, qui est équipé de 150 kWh de batteries.

Bien que révolutionnaires, les batteries solides et semi-solides utilisent toujours un élément qui fait débat : le lithium. Cependant, il existe une alternative pour réduire la dépendance au lithium de l'industrie automobile et mettre en avant les deux principaux avantages des véhicules électriques : le coût et l'impact environnemental.

Les alternatives au lithium : le sodium



Toutes les technologies de batteries mentionnées ci-dessus ont un point commun : l'utilisation du lithium. Généralement présent en quantités importantes (plusieurs kilogrammes par pack de batteries), le lithium reste un élément sujet à débat parmi les acteurs de l'industrie. En effet, la plupart du lithium est extrait en Australie et au Chili, à des milliers de kilomètres des usines de fabrication de batteries, ce qui entraîne une augmentation significative de l'empreinte carbone des batteries des voitures électriques. De plus, l'exploitation du lithium peut avoir un impact environnemental négatif en raison de la consommation d'eau nécessaire aux activités minières.

Une alternative prometteuse consiste à remplacer le lithium par le sodium. Les batteries sodium-ion commencent à être développées, et leur fonctionnement est très similaire à celui des batteries lithium-ion. La composition chimique de la cathode et de l'anode utilise toujours différents métaux (aluminium, manganèse, etc.), mais intègre également du sodium en remplacement du lithium.

L'avantage principal des batteries sodium-ion pour les constructeurs réside dans leur coût. Étant donné l'abondance du sodium sur la planète, son exploitation est beaucoup moins coûteuse que celle du lithium. On estime que le sodium est entre trois cents et mille fois plus abondant que le lithium, et il se trouve sous différentes formes (dans l'eau de mer ou sous forme de chlorure de sodium).

Bien que la densité énergétique des batteries sodium-ion soit actuellement inférieure à celle des autres types de batteries, elles commencent à faire leur apparition sur le marché. À l'heure actuelle, deux voitures électriques équipées de batteries sodium-ion sont disponibles en Chine. Il s'agit d'un modèle développé par une filiale de Renault, ainsi que d'un modèle chinois conçu en collaboration avec Volkswagen.

Les batteries lithium-ion offrent actuellement une densité énergétique jusqu'à deux fois supérieure à celle des batteries sodium-ion, mais cette densité devrait s'améliorer. Pour le moment, le sodium est principalement utilisé dans des petites voitures électriques qui n'offrent pas d'autonomies révolutionnaires.

La recherche de la batterie parfaite pour les voitures électriques est loin d'être terminée, comme nous avons pu le constater. Différentes chimies sont largement utilisées aujourd'hui, certaines avec du cobalt et d'autres sans. Les batteries solides semblent être une avancée majeure, mais elles nécessitent encore des progrès avant une production de masse. Finalement, les batteries sodium-ion pourraient permettre à de nombreux pays de réduire leur dépendance au lithium. Le futur nous réserve peut-être encore des surprises dans le domaine des batteries pour les véhicules électriques.