Les batteries des véhicules électriques stockent et restituent l’énergie nécessaire à la propulsion, notamment grâce à leur composants. Mais quels sont les matériaux utilisés pour leur fabrication ? Comment influencent-ils les performances des batteries ? IZI by EDF fait le point sur la composition d’une batterie de voiture électrique lithium-ion pour vous aider à mieux comprendre les défis de l’électromobilité.
Les principales technologies de batteries
Les batteries lithium-ion se sont imposées comme la solution la plus performante pour les véhicules électriques. Leur capacité à stocker une grande quantité d’énergie tout en étant relativement légères en fait le choix privilégié des constructeurs. Les batteries lithium-ion offrent en effet une excellente densité énergétique, une bonne durée de vie et un poids réduit par rapport aux autres technologies.
Elles dominent à date le marché de la batterie de voiture électrique, remplaçant les batteries Nickel-Métal Hydrure (équipant pendant longtemps les voitures hybrides) et les batteries Nickel-Cadmium, interdites en raison de la toxicité du cadmium, malgré leur bonne résistance aux cycles de charge.
Les batteries au plomb, bien que vieillissantes, sont encore utilisées pour les équipements auxiliaires des véhicules électriques (éclairage, autoradio). Leur faible densité énergétique et leur poids significatif les rendent inadaptées pour la propulsion de véhicules récents.
Si les batteries tout-solide sont toujours en cours de développement, elles promettent une meilleure autonomie et une meilleure sécurité que les batteries lithium-ion.
Composition d’une batterie de voiture électrique au lithium-ion
La batterie lithium-ion d’une voiture électrique est constituée de cellules électrochimiques qui stockent l’énergie dont a besoin un véhicule électrique pour faire fonctionner le moteur. Chaque cellule est ensuite composée de cathode, anode, séparateur et électrolyte. Une batterie comprend aussi un système de refroidissement afin de maintenir les cellules à une température optimale.
D’autres composants électroniques sont également présents, comme le Battery Management System (BMS). Il veille au fonctionnement de la batterie, en particulier les cellules, protège la batterie des courts-circuits, surtensions ou sous-tensions, élévation de température, autorise les charges et les décharges et optimise la durée de vie de la batterie.
Quels métaux sont présents dans les batteries de voitures électriques ?
D’après une étude du WWF France (1), il faudrait pour fabriquer une voiture électrique environ 394 kg de matériaux, dont :
- 251 kg d’aluminium (principalement utilisés pour le châssis et la carrosserie) ;
- 55 kg de cuivre ;
- 44 kg de graphite ;
- 24 kg de nickel ;
- 8 kg de manganèse ;
- 7 kg de cobalt ;
- 5 kg de lithium.
Le lithium, le nickel, le cobalt et le manganèse sont particulièrement utilisées pour la fabrication de batteries, pour emmagasiner d’importantes quantités d’énergie dans un format compact.
Le cuivre
Le cuivre est un métal conducteur fondamental dans les batteries et l’électronique des véhicules électriques. Il est utilisé dans les câbles, les connecteurs et les circuits électriques pour assurer un transport optimal de l’énergie. Sa grande conductivité thermique et électrique le rend indispensable aux moteurs et aux systèmes de recharge.
Le cuivre est principalement extrait en Amérique du Sud, aux États-Unis et en Afrique. Toutefois, l’augmentation de la demande pour l’électrification pose des défis quant à l’approvisionnement et au recyclage du cuivre pour réduire l’impact environnemental.
Le nickel
Le nickel est essentiel dans la composition des cathodes des batteries lithium-ion, où il contribue à accroître la densité énergétique et l’autonomie des véhicules électriques. Il est particulièrement utilisé dans les batteries de type NMC (Nickel-Manganèse-Cobalt) et NCA (Nickel-Cobalt-Aluminium). Sa résistance à la corrosion et ses propriétés électrochimiques en font un matériau stratégique.
Ses principales sources d’extraction se situent en Indonésie, aux Philippines et en Russie. Toutefois, son extraction et son raffinage sont énergivores et génèrent des émissions de CO₂, ce qui pousse les industriels à innover pour rendre son utilisation plus durable.
Le mangansène
Le manganèse est un élément clé dans la fabrication des batteries lithium-ion, notamment dans les cathodes des batteries Nickel-Manganèse-Cobalt (NMC) et Lithium-Manganèse-Oxyde (LMO). Il améliore la stabilité thermique, réduit les risques de surchauffe et prolonge la durée de vie des batteries. Il permet d’optimiser la performance énergétique des véhicules électriques.
Principalement extrait en Afrique du Sud, en Australie et au Gabon, son utilisation croissante pousse l’industrie à développer des batteries à forte teneur en manganèse pour limiter la dépendance aux métaux rares comme le cobalt.
Le cobalt
Le cobalt joue un rôle clé dans la stabilité et la durabilité des batteries lithium-ion. Il améliore de la densité énergétique et la longévité des cellules, réduisant ainsi leur usure prématurée.
Présent naturellement dans divers minerais, il est principalement extrait en République démocratique du Congo. L’industrie cherche aujourd’hui des alternatives à ce matériau cher, rare et ayant des répercussions importantes sur l’environnement, comme des batteries à faible teneur en cobalt ou même des technologies sans cobalt.
Le lithium
Le lithium est un métal alcalin léger, essentiel à la fabrication des batteries lithium-ion utilisées dans les voitures électriques. Il possède une importante capacité de stockage d’énergie, utile pour l’autonomie du véhicule. Son faible poids permet de concevoir des batteries plus légères pour des véhicules in fine moins énergivores.
Le lithium est principalement extrait de gisements de saumures en Amérique du Sud (Bolivie, Argentine, Chili) et d’espodumène en Australie.
Comment sont fabriquées les batteries de voitures électriques ?
Pour concevoir une batterie, les constructeurs doivent d’abord s’approvisionner en matières premières comme le lithium-ion, le cobalt et le manganèse. Ils les font ensuite fondre et les façonnent en cellules dont est composée chaque batterie.
Chaque cellule est testée pour détecter les défauts et la sécurité avant l’assemblage de la batterie. Celui-ci a lieu dans un environnement ultra-propre pour éviter toute contamination. Les procédures d’assurance qualité impliquées dans la fabrication d’une batterie lithium garantissent une capacité, une durée de vie et une sécurité maximales.
Le recyclage : un enjeu stratégique pour l’autonomie et la durabilité des batteries
Avec l’essor des véhicules électriques, le recyclage des batteries devient un levier essentiel pour limiter la dépendance aux métaux critiques et réduire l’impact environnemental de leur extraction.
Actuellement, seuls 5 à 7 % des batteries lithium-ion sont recyclées dans le monde, et la moitié de ce volume est traitée en Chine (2). Face à ce constat, l’Europe cherche à renforcer sa capacité de recyclage. Une texte de loi imposant le recyclage et la réutilisation des batteries a été notamment adopté par le Parlement européen le 14 juin 2023.
Le recyclage pourrait ainsi jouer un rôle clé dans l’approvisionnement en matières premières. D’après l’étude Metals for Clean Energy (KU Leuven 2022), le recyclage permettrait notamment de couvrir d’ici 2050 environ 50 % des besoins en lithium, 45 % en nickel, 50 % en cuivre et jusqu’à 65 % en cobalt (2).
Toutefois, l’impact du recyclage ne sera significatif qu’à partir de 2040, lorsque les premières générations de batteries arriveront en fin de vie. En attendant, la réutilisation des batteries pour le stockage stationnaire d’énergie, notamment pour les énergies renouvelables, est une solution complémentaire.
Parallèlement, l’évolution des technologies de batteries, avec des compositions moins dépendantes des métaux rares, ainsi que sur la mise sur marché de véhicules électriques de plus petite taille (réduisant par conséquent la taille des batteries) contribuera également à diminuer la pression sur les ressources naturelles et à renforcer l’autonomie industrielle.
Combien de temps une batterie de véhicule électrique peut-elle durer ?
La durée de vie de la batterie des voitures électriques varie en fonction de plusieurs critères :
- Le nombre de cycles de charge ;
- Le nombre de cycles de décharge.
Les professionnels du secteur automobile estiment qu’une batterie de voiture électrique au lithium peut supporter entre 1 000 et 1 500 cycles de charge. Concrètement, cela équivaut environ à une dizaine d’années d’utilisation de votre véhicule électrique. Cette estimation se base sur 15 000 à 30 000 km parcourus par an.
Sachez par ailleurs que d’autres facteurs impactent plus ou moins directement la longévité et la capacité de charge de votre batterie au lithium :
- Son vieillissement naturel ;
- Ses conditions d’utilisation : le type de routes sur lequel vous roulez, la météo.
Vous le voyez, si la composition de la batterie de votre voiture électrique influence sa longévité, d’autres critères entrent en jeu.
Carburer à l'électrique n'a jamais été aussi IZI !
J'installe une borneComment allonger la durée de vie d’une batterie lithium-ion ?
La façon dont vous chargez votre voiture électrique va accélérer ou ralentir le vieillissement naturel de sa batterie. Ainsi, une batterie chargée ou déchargée trop vite aura forcément une durée de vie plus courte.
Ces technologies sont sensibles à la chaleur. Il est donc déconseillé d’effectuer une recharge rapide lorsqu’il fait chaud. Et c’est surtout vrai pour un véhicule électrique d’entrée de gamme. Pour ces modèles, la composition de la batterie de la voiture électrique a été allégée. Elle ne contient pas de système de refroidissement, d’où la difficulté à supporter les fortes chaleurs. Si vous n’avez pas d’autres choix, sachez que la charge de votre batterie sera moins importante, voire se bloquera.
Quel que soit le type de batterie de votre voiture électrique, vous pouvez « allonger » sa durée de vie en la maintenant à un taux de charge compris entre 20 et 80 % de charge. La composition de la batterie des modèles électriques implique toutefois que la batterie soit chargée à 100 % au moins une fois par an. Cela permet au Battery Management System de votre voiture électrique de mieux cerner le fonctionnement de votre batterie.
Pourquoi la puissance d’une batterie au lithium devient-elle moins performante au fil des charges ?
La composition même d’une batterie de voiture électrique joue sur les performances de la batterie au lithium. Ce type de batterie souffre de la solidification des ions lithium. Au bout d’un certain nombre de charges et de décharges, les ions fournissent moins d’énergie.
Ce type de technologies demande à ce que la batterie soit active régulièrement. Un peu comme une voiture thermique.
Si votre voiture électrique est restée un certain temps sans rouler, nous vous conseillons de demander conseil à des professionnels avant de la charger à nouveau. Ce type de batterie n’apprécie pas que les ions se solidifient, et c’est précisément ce qui se passe en cas d’inactivité.
Vous connaissez maintenant la composition d’une batterie de voiture électrique. Les modèles électriques demeurent une technologie encore assez récente. Il y a donc fort à parier que les constructeurs trouveront un moyen d’optimiser encore le fonctionnement et la durée de vie d’une batterie électrique.
De votre côté, si vous avez délaissé votre voiture thermique pour une voiture électrique, vous pouvez vous intéresser au moteur électrique afin de bien comprendre tous les composants de votre nouvelle voiture.
