Comment fonctionnent les batteries de nos voitures électriques ?

Contrairement à ce que l'on pourrait croire, il n'y a rien de vraiment compliqué.

 

La batterie lithium-ion s’est progressivement imposée comme la technologie de référence et les voitures électriques n'y échappent pas. Mais son fonctionnement et sa composition peuvent encore paraître assez abstraits. L'occasion de s'étendre sur le sujet.

Batterie Renault Zoé

Voici comment fonctionnent les batteries des voitures électriques.

Contrairement à ce que l’on pourrait croire, les voitures électriques ne sont pas apparues il y a une dizaine d’années sous l’impulsion du législateur. Bien avant l’avènement de la voiture thermique, certains s’étaient déjà penchés sur la voiture électrique. À ce propos, pour la petite histoire, la première voiture a avoir dépassé les 100 km/h n’est pas un modèle thermique, mais bien un modèle électrique, « La jamais contente », en 1899. Une voiture propulsée par un bloc électrique alimenté par une batterie au plomb, un type de batterie que nous ne retrouvons plus aujourd’hui au sein de nos voitures modernes, du moins pour assurer la traction.

Les batteries au plomb sont aujourd’hui utilisées simplement pour alimenter le circuit électrique des accessoires ou des équipements spécifiques au monde thermique comme le démarreur par exemple. Pourquoi ne sont-elles pas utilisées sur nos voitures électriques ? Tout simplement parce qu’elle n’offre qu’une capacité limitée malgré un encombrement et un poids assez conséquent.

Néanmoins, ce type de batterie a au moins le mérite d’être à la fois économique et simple à produire ou à recycler. Si elles sont encore utilisées au sein des voitures thermiques modernes, elles n’ont évidemment plus lieu d’être au sein de nos voitures électriques actuelles qui utilisent des dispositifs de stockage beaucoup plus performants. Il n’en demeure pas moins que la batterie au plomb a alimenté certaines voitures électriques jusqu’aux années 80, voire même 90 avec l’EV1 de chez General Motors ou encore la Citroën AX électrique.

La jamais contente

La jamais contente, la première voiture a avoir atteint le cap des 100 km/h.

L’avènement de la batterie lithium-ion

En ce qui concerne les batteries de nos voitures modernes, il n’est plus question d’entendre parler de batteries au plomb, puisqu’elles utilisent toutes des batteries lithium-ion. La batterie lithium-ion n’est plus toute jeune puisqu’elle fut commercialisée dès 1991 par Sony. Elle était avant tout destinée au secteur de l’électronique grand public. Rapidement, du fait de ses capacités, elle s’immisce dans de nouveaux appareils ayant besoin d’une batterie rechargeable et portable.

Le fonctionnement

Le principe de fonctionnement d’une batterie lithium-ion est assez simple en soi. Il consiste à faire circuler des électrons en créant une différence de potentiel entre deux électrodes, une négative et l’autre positive, plongées dans un liquide conducteur ionique qu’on appelle l’électrolyte. Lorsque la batterie alimente un élément, en l’occurrence un moteur électrique pour nos voitures, les électrons accumulés dans l’électrode négative sont libérés au travers d’un circuit externe pour rejoindre l’électrode positive. C’est ce que l’on appelle la phase de décharge.

S’il y a phase de décharge, il y a fort logiquement aussi l’inverse : la phase de charge. C’est l’action effectuée lorsque vous mettez en charge votre batterie, l’énergie transmise par le chargeur fait revenir les électrons de l’électrode positive vers la négative.

Mais pourquoi appellent-ont ces batteries « lithium-ion » ? Sur le même principe de la batterie au plomb, c’est évidemment de la technologie utilisée que la batterie tire son nom. Les différents types de batteries varient selon le type d’ions, les matériaux des électrodes et l’électrolyte associés. Par exemple, dans une batterie au plomb, nous retrouvons un électrolyte contenant des ions de plomb et des électrodes à base de plomb. Dans une batterie lithium-ion, nous retrouvons des ions de lithium (Li+).

La composition

La batterie lithium-ion qui compose nos véhicules actuels se présente comme un assemblage d’unités de batteries individuelles aussi appelées cellules. Ces cellules sont reliées les unes aux autres et supervisées par un circuit électronique. Elles sont bien évidemment déterminantes puisque leur nombre, la taille de chaque cellule et la façon dont elles sont agencées déterminent à la fois la tension délivrée par la batterie et sa capacité. La capacité étant la quantité d’électricité qu’elle est en mesure de stocker. Il s’agit de la donnée exprimée en kWh dans le monde automobile.

Aujourd’hui, nous retrouvons ces batteries lithium-ion au sein de nombreux appareils électroniques grand public comme nos téléphones ou encore nos ordinateurs portables.

Ce succès réside essentiellement dans la densité de stockage permise par la technologie. La densité qui correspond au rapport entre la capacité de stockage offerte par la batterie et son encombrement ou son poids. Pour comparer les avancées technologies faites depuis la batterie au plomb, sachez qu’une batterie lithium-ion offre une densité de l’ordre de 300 à 500 Wh/kg, soit environ dix fois plus que celle d’une batterie au plomb.

Le pack de batteries de la Volkswagen ID. Vision

Sur pratiquement toutes les voitures électriques modernes, les batteries sont situées sous le plancher.

Au sein de quelles voitures peut-on retrouver une batterie lithium-ion ?

Comme énoncé plus haut, au sein de pratiquement toutes les voitures électriques commercialisées aujourd’hui. Ainsi, les Tesla Model 3, Model S, Model X et la prochaine Model Y sont équipées d’une batterie lithiuim-ion, tout comme la Renault Zoé, la Nissan Leaf e+, la Peugeot e-208, la Honda e ou encore la DS 3 Crossback E-Tense.

Pour le moment, la technologie lithium-ion semble encore promise à un bel avenir, notamment avec la multiplication des voitures électriques au sein des gammes des constructeurs. Il s’agit effectivement du meilleur compromis entre capacité, masse et volume dans un secteur où, évidemment, tous ces critères sont essentiels.

D’autres types de batteries pourraient néanmoins remplacer à plus ou moins long terme la batterie lithiuim-ion. Parmi les plus crédibles, nous pouvons citer la batterie à électrolyte solide, qui remplace donc l’électrolyte liquide par un matériau solide qui peut prendre la forme d’un polymère ou de poudres semblables à une sorte de céramique. L’avantage du passage à un électrolyte solide serait évidemment de supprimer théoriquement les inconvénients liés à l’utilisation d’un électrolyte liquide, mais il faudra attendre encore quelques années avant une probable démocratisation de la technologie.

La question du recyclage et des problèmes environnementaux

Comme vous devez vous en douter, la production de ces batteries n’a pas un impact complètement neutre, l’utilisation des batteries au lithium-ion a d’ailleurs déjà soulevé de nombreuses polémiques, dont les problèmes environnementaux dus à l’extraction du lithium ou encore le recyclage de ces batteries.

Les problèmes environnementaux

La batterie d’une voiture électrique contient plusieurs kilos de lithium, mais aussi du cobalt et du manganèse, entre autres. Ces trois éléments sont des métaux, tous extraits et traités pour ensuite être utilisés au sein des batteries. Plus de deux tiers des ressources en lithium sont issus des déserts de sel d’Amérique du Sud, principalement de Bolivie, du Chili et d’Argentine.

Plusieurs études ont déjà démontré que l’extraction et le traitement de ces métaux entraînaient une pollution des sols, un assèchement des rivières, et peuvent aussi engendrer un accroissement des intoxications et maladies graves pour les populations locales. Le cobalt, qui est lui aussi nécessaire pour les batteries au lithium, plus de la moitié de la production mondiale est issue de mines congolaises. Des mines qui ne respectent pas forcément les conditions de sécurité et qui sont également pointées du doigt concernant l’exploitation d’enfants.

Comme pour les voitures thermiques et les conditions d’extraction d’hydrocarbure, la filière électrique a encore du travail à fournir. Néanmoins, l’avancée de la technologie laisse entrevoir de nouvelles alternatives à ces matériaux, tout comme la façon de les extraire ou encore de les traiter.

Quid du recyclage ?

Jusqu’à récemment, le lithium n’était que très peu recyclé pour trois raisons : sa forte disponibilité, un coût d’extraction peu élevé et un faible taux de collecte. Néanmoins, avec un parc de voitures électriques grandissant et les tensions concernant les approvisionnements, la donne a changé et la filière du recyclage se met en place.

Les véhicules électriques obsolètes, peu nombreux par rapport aux voitures thermiques, sont démontés presque entièrement et les éléments de la batterie hors d’usage comme le lithium, le cobalt, l’aluminium ou encore le cuivre, sont colletés et recyclés. Il existe également d’autres solutions pour les batteries non endommagées, en leur donnant une seconde vie et en les utilisant pour un usage stationnaire. Ainsi, elles peuvent être utilisées pour stocker des énergies renouvelables ou encore alimenter des bornes de recharges rapides.

Si vous envisagez l’acquisition d’une voiture électrique, vous devez certainement vous demander où vous allez la recharger. L’installation d’une borne à domicile est une solution envisageable, mais comment cela se passe lorsque vous êtes en…
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