Batteries: autonomie, matières premières et recyclage

L’essor de l’électromobilité s’accompagne d’une hausse rapide de la production de batteries. Mais la production des batteries lithium-ion courantes est gourmande en ressources et le recyclage n’en est qu’à ses débuts. De nouvelles technologies devraient y remédier.

Représentation artistique d’ouvriers dans une mine.

Des batteries de grandes capacités est le facteur décisif pour passer des voitures à moteur à combustion aux modèles à propulsion électrique. Les personnes qui achètent un véhicule à batterie s’attendent à disposer d’une batterie avec la plus grande autonomie possible, combinée à une longue durée de vie. En effet, lors de sa production, une voiture électrique génère tout d’abord plus de CO2 qu’une voiture à combustion comparable. Selon un calcul du TCS, les modèles les plus vendus actuellement compensent leur bilan carbone plus élevé au bout d’environ 40 000 kilomètres. La plupart des constructeurs offrent actuellement une garantie de huit ans ou 160 000 kilomètres. Mais dans la pratique, les batteries ont une durée de vie nettement plus longue, à savoir environ 1000 cycles de charge ou 400 000 kilomètres!

 

Comment faire pour que la batterie dure le plus longtemps?

En chargeant sa batterie à faible intensité, en maintenant le niveau de charge entre 20 et 80% et en accélérant en douceur, on évite de stresser la batterie et on préserve ainsi sa capacité. À la maison ou au travail, un chargement lent suffit dans la plupart des cas, car il y a suffisamment de temps à disposition.

 

Deuxième vie et recyclage

Que se passera-t-il donc quand, au bout de dix ans, toute une génération de batteries sera mise au rebut? La Fondation Auto Recycling Suisse ne se montre pas inquiète: «Nous sommes prêts à recevoir de plus grandes quantités de vieilles batteries», déclare le directeur Daniel Christen. «Lorsque la capacité d’une batterie tombe en dessous de 70% et qu’elle a donc fait son temps à bord du véhicule, il y a d’abord l’option d’une deuxième vie comme batterie de stockage stationnaire.» Par exemple dans des bâtiments équipés de panneaux photovoltaïques, mais aussi dans des stations de recharge ou dans des centrales électriques comme tampon pour les pics de demande. Il est même étonnant de constater que les batteries «récupèrent», car elles ne sont plus soumises à de fortes sollicitations, ni à des vibrations ou à des variations de température. Mais cette utilisation prend également fin un jour et le recyclage de la batterie est alors nécessaire.

 

Des pionniers suisses innovants

Ce qui fonctionne déjà aujourd’hui avec les batteries lithium-ion des smartphones et des ordinateurs portables est encore plus simple pour les batteries de véhicules. Ces dernières sont effet standardisées pour de nombreux modèles de véhicules et il est donc plus facile de les recycler. Kyburz Switzerland est l’une des premières entreprises suisses à récupérer dès aujourd’hui plus de 90% des matières premières contenues dans ses propres batteries lithium-phosphate de fer. Celles-ci sont surtout utilisées dans les scooters Mobility ou les véhicules de livraison à trois roues de la Poste.

 

Gros plan d’une batterie de voiture

Les nouvelles générations de batteries doivent, dans la mesure du possible, se passer de matières premières telles que le lithium et le cobalt.

Fondée en 2021, la start-up Librec veut recycler les batteries de différentes voitures électriques au sein d’une nouvelle usine de recyclage dans le canton de Soleure et récupérer au moins 90% des matières premières. À partir de 2024, l’installation pourrait recycler chaque année environ 300 tonnes de batteries provenant de 1000 voitures électriques et ce volume devrait être multiplié par dix d’ici 2031. La rentabilité du recyclage dépend du prix des matières premières et des incitations réglementaires, telles que les taxes d’élimination anticipées. Parallèlement, les fabricants de batteries et les universités mènent des recherches intenses en vue de réduire la part de métaux coûteux et dangereux pour l’environnement. La start-up munichoise Stabl travaille également sur un concept de seconde vie durable pour les batteries de voiture. Avec le soutien d’Energie 360° via son fonds Smart Energy pour l’innovation, elle développe un onduleur modulaire multiniveaux: si plusieurs batteries sont connectées en série, les batteries moins puissantes ont un effet négatif sur la puissance totale. Si une cellule tombe en panne, c’est tout le bloc de batteries qui s’arrête. Par conséquent, la performance d’une batterie de stockage dépend de celle de son composant le plus faible. Stabl relie donc les différents modules entre eux de manière dynamique et non plus statique, ce qui permet de compenser et d’équilibrer les différentes capacités de puissance.

 

Composants problématiques

Actuellement, la fabrication des batteries est encore très gourmande en énergie et génère entre 150 et 200 kilogrammes d’équivalent CO2 par kilowattheure de capacité. Les matières premières nécessaires,comme le lithium, le cobalt, le nickel, le manganèse, le cuivre, l’aluminium et le graphite, laissent une empreinte écologique et sociale lors de leur extraction et de leur transport. Ainsi, environ 60% du cobalt extrait dans le monde provient du Congo, où des normes sociales et de sécurité acceptables font défaut. L’extraction de lithium à partir de saumures salines dans les Andes fait l’objet de critiques en raison de la consommation élevée d’eau.

 

Selon un rapport de l’Agence internationale de l’énergie de mai 2021, une batterie lithium-ion courante de 75 kWh contient: 5,7 kg de manganèse, 6,15 kg de cobalt, 7,2 kg de lithium, 22 kg de cuivre, 49 kg de nickel et 65 kg de graphite. L’extraction de ces matières premières consomme environ 12 000 litres d’eau et la fabrication de la batterie entraîne une émission de 7,5 tonnes de CO2.

 

Une batterie ou dix avocats

Des études récentes montrent néanmoins que les effets de l’extraction du lithium sur l’environnement sont moins graves que ce que l’on pensait jusqu’à présent. Selon Maximilian Fichtner, chimiste et chercheur renommé dans le domaine des batteries, l’extraction de six kilogrammes de lithium pour une batterie de 60 kWh ne consomme «que» 5000 litres d’eau environ, soit à peu près la même quantité que la production de dix avocats, de la moitié d’un pantalon en jean ou de 250 grammes de steak. L’extraction du cobalt et du cuivre serait beaucoup plus problématique. Les nouvelles générations de batteries doivent donc, dans la mesure du possible, s’en passer. Ainsi, Tesla a déjà réduit considérablement la part de cobalt dans ses batteries et a annoncé qu’elle y renoncerait totalement dans ses prochains modèles. Et Jeffrey Brian Straubel, l’ancien directeur technique de Tesla, a fondé Redwood Materials, une entreprise qui devrait être en mesure de recycler des batteries pour un million de véhicules électriques d’ici 2025.

 

Comment fonctionne le recyclage des batteries?

Les cellules de batterie usagées sont d’abord complètement déchargées, détachées de leur «emballage» et ensuite broyées en granulés dans un circuit hermétique. On parle d’un procédé inerte, dans lequel aucune réaction chimique ne se produit entre les substances qui s’échappent. Ensuite, l’installation distille le liquide électrolytique des granulés dans la cuve sous vide. Il ne reste alors que des scories contenant des éléments réutilisables, comme le cobalt, le nickel ou le manganèse.

 

Une avancée pour les batteries au sodium et à l’état solide

Le plus grand fabricant de batteries au monde, Catl, a l’intention de démarrer la production de masse de batteries sodium-ion en Chine à partir de 2023. Cette technologie de batterie est basée sur le sel de cuisine et ne nécessite pas de lithium, de cobalt, de nickel ou de cuivre. Les batteries sodium-ion devraient donc pouvoir être produites localement à des prix plus bas et en quantités pratiquement illimitées. Seul point délicat: en raison de leur densité énergétique plus faible, les piles salines nécessitent actuellement davantage de volume. Jusqu’à peu, elles étaient donc destinées à une utilisation stationnaire. Une prochaine génération de modules denses devrait toutefois égaler, voire dépasser, les batteries lithium-ion.

 

Les batteries des voitures électriques sont stockées dans une halle.

Après leur usage dans les voitures électriques, les batteries sont loin d’être obsolètes. Bon nombre d’entre elles sont ensuite utilisées comme batteries de stockage.

Une autre évolution prometteuse se dessine dans le domaine des batteries dites «solides». Celles-ci sont toujours basées sur la technologie lithium-ion, mais l’électrolyte liquide est remplacé par une fine couche d’électrolyte solide, qui est ininflammable. Ainsi, les batteries à l’état solide n’ont pas besoin d’être refroidies et peuvent être construites de manière plus compacte. Par ailleurs, elles sont facilement remplacées au lieu d’être rechargées dans le véhicule. Le fabricant Nio a déjà mis en place un réseau de stations d’échange en Chine et entend conquérir le marché européen avec ses nouveaux modèles d’ici 2024. Nous sommes impatients d’en savoir plus.

 

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Vue d’ensemble du bilan écologique des voitures électriques

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