Batteries lithium-ion : de nombreux défis pour la transition

« La technologie Lithium-ion est la plus grande avancée en électrochimie du siècle dernier », assène Jean-Marie Tarascon dans l’auditorium Pierre Lehmann du laboratoire IJCLab, sur le campus de l’Université Paris-Saclay, le 7 juin dernier. « Les pionniers John B Goodnough, Stam Whittingham et Akira Yoshina ont reçu le Prix Nobel en 2019 pour leur contribution importante au développement de cette technologie. »

Honoré par la médaille d’or du CNRS pour ses travaux sur les batteries en juillet 2022, Jean-Marie Tarascon est persuadé que le lithium reste la solution pour les batteries de demain. Invité à s’exprimer par la section Paris-Sud de la Société française de physique, il souligne l’importance d’inscrire leur déploiement dans le contexte de transition énergétique et de développement durable. Dans ce cadre, les chercheurs se penchent notamment sur l’amélioration de leur autonomie, leur éco-compatibilité, et leur recyclage.

Penser les gigafactories, l’extraction et le raffinage du lithium

Le remplacement de la vente de véhicules thermiques neufs par les véhicules électriques acté au niveau européen pour 2035 impose « une expansion spectaculaire de la production annuelle de batteries », lance Jean-Marie Tarascon. Pour les construire, l’Union européenne prévoit une quarantaine de gigafactories sur son territoire, dont quatre en France, d’ici 2030. L’Europe représenterait alors 19 % du marché des batteries, contre à peine 1 % aujourd’hui.

« Cela ne sera pas suffisant pour avoir une souveraineté européenne, car on doit importer 96 % des matériaux utilisés dans les batteries Li-ion et autour de 98 % des machines d’assemblage », précise le chimiste. Il poursuit : « La plupart du temps, la Chine est la destination pour le raffinage du lithium. Plutôt que de pousser sur les seules gigafactories, il faudrait aussi se soucier d’installer une industrie du raffinage et de l’extraction. »

La composition des batteries au cœur de l’innovation

« L’autonomie des batteries va dépendre des matériaux utilisés aux électrodes positives et négatives, explique Jean-Marie Tarascon. Le matériau utilisé depuis plus de vingt ans à l’électrode positive est un oxyde de cobalt LiCo02 ». Dans les laboratoires, les chimistes cherchent à substituer ce cobalt par du nickel et du manganèse afin d’augmenter sa densité énergétique, sa stabilité et le nombre de cycles. « Dans les véhicules électriques, on commence à mettre les compositions 8/1/1 qui sont à 80 % de nickel, 10 % de manganèse et 10 % de cobalt », avance le scientifique. Concernant l’électrode négative, les accumulateurs utilisent pour la plupart un carbone naturel ou synthétique. Les chercheurs travaillent ici sur des matériaux composites de graphites et de silicium.

Pour aller encore au-delà, les chercheurs se penchent sur la batterie tout-solide. « Cela permet théoriquement d’utiliser le lithium métallique, ce qui augmente la sécurité du système et la densité d’énergie gravimétrique [par rapport à sa masse, ndlr] de 40 % ou volumétrique de +70 % », calcule Jean-Marie Tarascon. Les constructeurs automobiles pourraient installer des batteries tout-solide dans leurs voitures d’ici 2030. Mais elles constitueront à cet horizon encore une vitrine technologique. « Elles seront encore beaucoup plus chères que les batteries lithium-ion conventionnelles », prévient le chercheur.

Lancer une nouvelle industrie du recyclage

« Il faudra produire plus de ressources minérales d’ici 2050 que ce que l’on a produit depuis le début de l’humanité », rappelle Jean-Marie Tarascon. En particulier, les besoins en cobalt, nickel et lithium sont appelés à décoller. En 2030, les besoins en métaux pour les batteries rechargeables accapareront plus de 90 % de la production de lithium, 75 % de la production de cobalt et près de 30 % de celle de nickel. « C’est un message fort pour le développement d’une filière de recyclage performante », souligne l’expert. Les recherches se multiplient donc pour repenser les procédés de recyclage et la configuration des batteries.

Au niveau européen, le taux minimum de matériaux à recycler pour les batteries sera de 20 % pour le cobalt, 10 % pour le lithium et 12 % pour le nickel. « L’Europe donne les directives, mais pas les technologies nécessaires à développer pour y arriver, ce qui est problématique », regrette toutefois le chercheur.