Les défits des nouvelles batteries

Jusqu'à maintenant, le point faible des véhicules électriques était leur système de stockage d'énergie quel qu'il soit.

Pour que le véhicule électrique puisse s’imposer, il doit être performant dans 3 domaines: la densité énergétique, la densité de puissance et le nombre de cycles de charge-décharge.

Difficile de concurrencer le pétrole pour ce qui est de la densité énergétique. Un kg d'essence représente 42,7 MJ d'énergie, ce qui correspond à environ 11,9 kWh. Pour comparaison, les batteries au plomb classiques qui servent à faire démarrer nos voitures ont une densité de 0,035 kWh/kg soit 35 Wh/kg.

Mais on ne peut pas comparer directement ces quantités. Il faut tenir compte des rendements de conversion d'énergie. En effet, le moteur électrique est beaucoup plus efficace que le moteur à combustion interne.

Les meilleurs d'entre eux ont un rendement de 30-35%. Mais il peut descendre à 10% pour une utilisation urbaine. En considérant un rendement moyen de 25%, cela veut dire qu'un kg d'essence représente une quantité de 2,975 kWh d'énergie mécanique permettant de faire avancer le véhicule.

En comparaison, une voiture électrique à un rendement de l'ordre de 80%. Ce qui signifie qu'il faut 3,719 kWh d'énergie électrique pour avoir l'équivalent d'un kg d'essence (en terme d'énergie mécanique finale). Cela fait tout de même 106 kg de batteries au plomb...

Heureusement, il existe des technologies plus performantes. Avec des batteries lithium ion de 170Wh/kg, cette masse est ramené à 22 kg.

Combien faudrait-il alors de kg de batteries pour une autonomie de l'ordre de 500 km ?

En considérant comme équivalent une voiture a essence avec une consommation de 6L/100km, 500 km demandent 30 L, soit 22,5 kg d'essence (densité de 0.75 kg/L). Ce qui correspond à une énergie mécanique dépensée de 66,94 kWh. Avec le rendement du véhicule électrique, cela demande 83,68 kWh d'énergie électrique disponible via la batterie.

C'est 492 kg de batteries lithium-ion... Bon, cela reste encore un peu lourd mais si on est moins exigeant sur l'autonomie et qu'on se contente de 200 km, on a besoin d'environ 200 kg de batteries. Cela correspond aux caractéristiques de la Cléanova conçut par Dassault et Heuliez.

Le roadster Tesla embarque quant à lui plus de 400 kg de batterie et dispose d'une autonomie de 320 km (200 miles), mais il s'agit d'une voiture sportive.

Deuxième point, la densité de puissance. Quelle quantité d'énergie est capable de fournir un kg de batterie (ou un autre système de stockage d'énergie électrique). Si on dispose d'une réserve importante d'énergie mais qu'on ne peut pas en disposer rapidement, alors on ne pourra pas faire tourner un moteur puissant et les performances de la voiture seront médiocres. De plus, le temps de chargement de la batterie qui est lié à ce paramètre, sera aussi trop long. Encore une fois, il est difficile de faire mieux que l'essence. Le temps de remplissage d'un réservoir est très rapide. Instantanée même, au regard du temps de chargement de plusieurs heures des batteries électriques.

Ce qui limite aussi bien leur charge que leur décharge, c'est leur résistance interne. Si le courant demandé est trop intense, la batterie va chauffer par effet joule. Cela peut être dangereux et la batterie peut brûler ou exploser.

Les batteries lithium-ion permettent 200 W/kg. Donc avec 200 kg de batterie, on peut fournir 40 kW en continu sans problème, ce qui équivaut à 55 CV, ce qui est suffisant pour propulser une voiture. Les batteries peuvent aussi débiter un courant beaucoup plus élevée pendant quelque secondes ce qui permet d'avoir un couple important pour les accélérations. A vitesse constante, on a rarement besoin de cette puissance.

Mais c'est surtout pour le temps de charge qu'il faut améliorer les performances des batteries. Pour l'instant, le courant de recharge est limité et il faut plusieurs heures pour charger des batteries. Pour l'utilisation quotidienne d'un véhicule, avec quelques dizaines de km à parcourir, cela ne pose pas de problème, la recharge pouvant se faire la nuit. Mais pour les distances qui dépassent l'autonomie, on est obligé de recharger plusieurs fois et s'il faut attendre chaque fois 5 ou 6 heures pour pouvoir repartir, alors le véhicule électrique est inadapté.

Mais les nanotechnologies commencent à apporter des progrès énormes dans ce domaine. La société A123 Systems, créé par des chercheurs du MIT, a mis au point récemment des batteries lithium-ion qui peuvent être rechargées en 15 minutes grâce à des électrodes recouvertes de nano-particules de phosphate.

Ce laps de temps est atteignable seulement avec des stations spécifiques car il faut une alimentation électrique de forte puissance capable de débiter des courants importants. Avec l’alimentation électrique d’une habitation, le temps de recharge ne peut être inférieur à plusieurs heures. Mais la mise en place de stations de recharge de haute puissance est tout à fait envisageable. Le revendeur pourrait rentabiliser son installation en pratiquant un prix de vente du kWh plus élevé. On payerai en quelque sorte la rapidité de chargement. Malgré ce tarif plus élevé (de 10 a 25% par exemple), le coût d’une « recharge » serait toujours très inférieur à celui d’un plein d’essence.

Enfin, les batteries doivent avoir une durée de vie plus importante. Actuellement, les batteries lithium-ion peuvent supporter plusieurs centaines de cycles de charge décharge avant de perdre significativement de leur capacité. Elle s’usent aussi avec le temps et ce, dès leur sortie de l’usine. Après 3 ans, la capacité diminue fortement, même si la batterie a été peu utilisée. Au vu du coût de ces accumulateurs, il est important que la durée de vie s'améliore pour que le coût global du kilomètre reste inférieur a celui des voitures conventionnelles. De ce côté également, les nanotechnologies apportent des solutions qui vont complètement changer la donne. La société américaine de nanotechnologie Altairnano fabrique des batteries qui permettraient jusqu'à 15 000 cycles. Avec un pack permettant de parcourir 200 km par charge, cela signifie qu’on peut faire théoriquement 3 millions de km avant d'en changer. En étant prudent sur les chiffres et en supposant que la batterie s’use aussi dans le temps, on peut tout de même tabler sur 500 000 km ce qui reste exceptionnel. Et dans ce cas, le surcoût à l’achat est largement remboursé lors de l’utilisation du véhicule.

Autre atout de taille de ces batteries, c’est qu’elles peuvent être rechargées en 10 minutes avec un chargeur adapté. Elles remplissent donc deux des trois critères mentionnés. Pour la densité d'énergie, disons qu’elles ne le remplissent qu’à moitié l’objectif puisqu’elles peuvent emmagasiner 90 Wh/kg. Pour l’instant c’est suffisant pour une autonomie de 200 km. Certaines batteries, qui n’ont pas les avantages de celles produites par Altairnano, ont cependant une densité qui dépasse 300 Wh/kg et certaines technologies, certes encore sur le papier, promettent plus de 1000 Wh/kg.

En conjuguant les performances de ces deux technologies, il serait possible de construire des véhicules électriques puissants, de grande autonomie et rechargeables en moins d’un quart d’heure.