Énergie : comment vont évoluer les batteries lithium-ion, très consommatrices de métaux en tension ?

Les bat­ter­ies lithi­um-ion se sont imposées pro­gres­sive­ment dans de très nom­breux secteurs indus­triels, de la microélec­tron­ique à l’électronique portable, en pas­sant par le trans­port (véhicule élec­trique, mobil­ité douce, trans­port fer­rovi­aire et aérien) et le stock­age des éner­gies de con­ver­sion alter­na­tives telles que le solaire pho­to­voltaïque ou l’éolien.

Ces bat­ter­ies sont con­sid­érées aujourd’hui comme l’un des moyens les plus effi­caces pour stock­er l’énergie élec­trique. Dans les prochaines années, le marché des bat­ter­ies lithi­um-ion sera essen­tielle­ment porté par le domaine du trans­port (véhicule élec­trique), et dans une moin­dre mesure par celui des éner­gies alter­na­tives. Les per­spec­tives de pro­duc­tion indus­trielle prévoient de mul­ti­pli­er ces capac­ités par un fac­teur 10 d’ici à 2030, après avoir con­nu une crois­sance par un fac­teur 6 entre 2010 et 2018.

Cette tech­nolo­gie représente aujourd’hui le meilleur com­pro­mis (com­paré aux alter­na­tives de stock­age) entre den­sité d’énergie mas­sique et volu­mique (quan­tité d’énergie pou­vant être stock­ée ou trans­portée pour un vol­ume ou une masse don­nés), une faible autodécharge, une longue durée de vie, une main­te­nance faible et une util­i­sa­tion sur une plage de tem­péra­ture impor­tante. Leur coût et leur empreinte car­bone uni­taires ayant con­sid­érable­ment dimin­ué ces dernières années, les bat­ter­ies lithi­um-ion représen­tent un élé­ment clé de la décar­bon­a­tion du trans­port : en France, la pro­duc­tion élec­trique s’appuyant essen­tielle­ment sur des cen­trales nucléaires, l’empreinte car­bone (fabrication/usages/fin de vie) d’un véhicule « milieu de gamme » est divisée par trois, com­parée à [celle de] son équiv­a­lent essence.

Autant d’éléments qui font appa­raître les bat­ter­ies lithi­um-ion comme une solu­tion tech­nolo­gie per­ti­nente pour la tran­si­tion écologique.

Cobalt et lithi­um, deux ingré­di­ents essen­tiels, mais peu disponibles par rap­port à la demande

Néan­moins, cette tech­nolo­gie est forte­ment con­som­ma­trice de métaux avec une forte « crit­ic­ité » : d’ici à 2025, cette tech­nolo­gie devrait mobilis­er une grande par­tie de la pro­duc­tion mon­di­ale de cobalt (qui entre dans la com­po­si­tion des élec­trodes pos­i­tives, pour 65 % de la pro­duc­tion mon­di­ale) et de lithi­um (pour les élec­trodes pos­i­tives, néga­tives et l’électrolyte, pour 75 % de la pro­duc­tion mon­di­ale), sans par­ler des autres métaux (nick­el, cuiv­re…) ni du car­bone graphite con­sti­tu­tifs des élé­ments pour batteries.

À titre d’exemple, la con­som­ma­tion glob­ale de lithi­um a aug­men­té de 283 % entre 2010 et 2021, le prix de la tonne est passé de 4 450 $ en 2012 à 78 000 $ en 2022. Cette forte crois­sance des besoins en matières pre­mières pour­rait faire appa­raître des ten­sions sur les marchés ain­si que des risques géopoli­tiques majeurs, et démul­ti­plie le prob­lème de l’impact écologique de l’extraction minière, générale­ment con­som­ma­trice d’énergies fos­siles et de pro­duits chim­iques pour sépar­er les métaux du minerai.

Ces ten­sions soulig­nent l’importance d’aborder, en par­al­lèle aux solu­tions tech­niques, les ques­tions socié­tales con­cer­nant le rap­port de l’individu au véhicule. Par exem­ple, lim­iter la course à l’autonomie per­me­t­trait de dimin­uer la taille des bat­ter­ies et donc la con­som­ma­tion en matières premières.

En par­al­lèle de pra­tiques plus vertueuses, deux voies de recherche appa­rais­sent néces­saires à court terme : le développe­ment du recy­clage des bat­ter­ies et le développe­ment du « post lithium-ion ».

Des bat­ter­ies « post lithi­um-ion » pour éviter les ten­sions d’approvisionnement en lithium

Par « post lithi­um-ion », on entend des tech­nolo­gies nou­velles de bat­ter­ies béné­fi­ciant de l’expérience acquise pen­dant des décen­nies dans le développe­ment du lithi­um-ion, voire des tech­nolo­gies en rup­ture com­plète, pour lesquelles il faut tout repenser. La recherche académique mon­di­ale est actuelle­ment en pleine effer­ves­cence dans le développe­ment de ces systèmes.

Ain­si, de nou­velles voies sont explorées pour rem­plac­er l’élément lithi­um par d’autres élé­ments bien plus abon­dants sur Terre, comme le sodi­um, le cal­ci­um, le mag­né­si­um et le potas­si­um, qui peu­vent, comme le lithi­um, jouer le rôle d’électrode néga­tive dans une bat­terie. Ces voies de recherche per­me­t­tent d’anticiper les pos­si­bles futures ten­sions sur les appro­vi­sion­nements en lithi­um en rai­son de la dis­tri­b­u­tion très iné­gale de cette ressource sur Terre.

Le sodi­um par exem­ple, très abon­dant et proche du lithi­um par ses pro­priétés chim­iques et élec­trochim­iques, ne présente pas tout à fait les mêmes per­for­mances en ter­mes de den­sité d’énergie mas­sique et volu­mique. En revanche, il a été mon­tré que les bat­ter­ies sodi­um-ion pou­vaient avoir des per­for­mances en puis­sance supérieures aux bat­ter­ies lithi­um-ion, ce qui, pour cer­taines appli­ca­tions, se révèle par­ti­c­ulière­ment intéressant.

Les bat­ter­ies à base de cal­ci­um, de mag­né­si­um ou de potas­si­um font actuelle­ment face à des ver­rous sci­en­tifiques impor­tants (disponi­bil­ité et coût des matéri­aux d’électrodes pos­i­tives, réac­tiv­ité aux inter­faces) qui lais­sent présager une com­mer­cial­i­sa­tion à plus long terme.

Rem­plac­er les con­sti­tu­ants liq­uides inflam­ma­bles des bat­ter­ies Li-ion

Par ailleurs, « post lithi­um-ion » ne sig­ni­fie pas néces­saire­ment « fin du lithi­um », puisque par­mi les voies nou­velles qui béné­fi­cient des investisse­ments indus­triels les plus impor­tants aujourd’hui fig­urent les bat­ter­ies dites « tout solide », dont le but n’est pas de rem­plac­er le lithi­um lui-même, mais les con­sti­tu­ants liq­uides inflam­ma­bles des bat­ter­ies lithi­um-ion (dits élec­trolytes) par des con­sti­tu­ants solides non inflam­ma­bles, dans l’objectif d’un gain de sécu­rité pour les utilisateurs.

Cette voie offre égale­ment des per­spec­tives d’augmentation des per­for­mances en ter­mes de den­sité d’énergie (c’est-à-dire des bat­ter­ies plus légères et per­me­t­tant une plus grande autonomie), grâce à l’utilisation du lithi­um métallique (par oppo­si­tion aux ions lithi­um des bat­ter­ies lithi­um-ion) comme élec­trode néga­tive. Ce type de bat­terie est par­ti­c­ulière­ment prisé aujourd’hui par les con­struc­teurs auto­mo­biles, pour qui la sécu­rité et la den­sité d’énergie sont des élé­ments clés.

Cette tech­nolo­gie « tout solide » fait égale­ment face à des ver­rous tech­nologiques impor­tants, mais il est cer­tain que, compte tenu des efforts financiers et humains engagés, des pro­grès con­sid­érables sont à atten­dre dans les années à venir.

Une diver­si­fi­ca­tion des tech­nolo­gies en réponse aux besoins

On assiste à une diver­si­fi­ca­tion des tech­nolo­gies en réponse à des besoins spé­ci­fiques en fonc­tion de la nature de l’application.

Tant que les prix du lithi­um res­teront accept­a­bles pour un sys­tème économique mon­di­al glob­al­isé, la tech­nolo­gie lithi­um-ion a encore de beaux jours devant elle, dans le domaine de l’électronique portable en particulier.

Pour le véhicule élec­trique, ce sera plutôt la tech­nolo­gie lithi­um « tout solide », si tous les ver­rous sci­en­tifiques et logis­tiques peu­vent être lev­és. Les alter­na­tives au lithi­um restent légère­ment moins per­for­mantes, mais pour­raient s’avérer accept­a­bles si le prix du lithi­um venait à croître forte­ment à cause de ten­sions géopoli­tiques. Les bat­ter­ies élec­triques ne sont pas la seule solu­tion tech­nologique. Le stock­age d’énergie grâce à l’hydrogène « vert » par exem­ple est une solu­tion complémentaire.

Légende de la pho­to ci-dessus : Les bat­ter­ies lithi­um-ion domi­nent actuelle­ment le marché auto­mo­bile et de l’élec­tron­ique. Norsk Elbil­foren­ing, Wikipedia, CC BY

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