Les batteries solides pour VAE, avec double autonomie et durée

Véhicules, vélos, bateaux et même petits avions électriques ont la côte. Ils sont moins chers et plus écologiques à exploiter que ceux équipés de moteurs à combustion interne. Il y a quand-même un gros bémol : leurs batteries lithium-ion sont chères, lourdes, ne durent pas aussi longtemps que leurs moteurs électriques, ont une autonomie limitée et peuvent même prendre feu. Les batteries solides pourraient être bien meilleures, que ce soit pour les vélos électriques ou d’autres véhicules.

Les batteries solides pourraient changer la donne pour les vélos électriques

Les batteries solides n’ont pas d’électrodes liquides comme les batteries Li-ion. Elles sont solides, beaucoup plus petites et plus légères pour la même puissance en watts. Les batteries Li-ion ont un électrolyte liquide qui sépare l’anode de la cathode, tandis que les batteries solides ont un électrolyte solide qui sépare les deux. Elles peuvent utiliser du lithium métallique pour l’anode et des oxydes ou des sulfures pour la cathode, augmentant ainsi la densité énergétique. L’électrolyte solide agit comme un séparateur idéal qui ne laisse passer que les ions de lithium. Voir l’image ci-dessous.
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Les batteries à solides pourraient libérer le potentiel des vélos électriques

Au moins un fabricant de vélos électriques, le suisse Stromer, a déjà construit un prototype de vélo électrique équipé d’une batterie solide, qu’il prétend révolutionnaire, doublant pratiquement le potentiel des batteries lithium-ion, que ce soit en termes de puissance, d’autonomie, et de durée. Il est en phase de développement et devrait être vendu d’ici quelques années. Étant donné que les batteries solides sont déjà utilisées pour les petits appareils et même pour les stimulateurs cardiaques, il n’y a aucune raison de craindre qu’elles ne soient pas adaptées aux vélos électriques.

Avantages et inconvénients des batteries solides par rapport aux lithium-ion

• Elles n’explosent pas et ne prennent pas feu.
• Elles offrent au moins 50 % de capacité et donc d’autonomie en plus.
• Elles peuvent se recharger complètement en 15 minutes environ.
• Elles peuvent durer deux fois plus longtemps avant de perdre plus de 10 % de leur capacité.
• Elles ne contiennent aucun métal rare tel que le cobalt.
• Elles sont plus petites et plus légères.
• Comme elles ne contiennent pas de liquides, qui peuvent augmenter leur volume avec la chaleur et se rétrécir avec le froid, elles sont beaucoup plus stables et peuvent mieux résister aux températures extrêmes.
• Elles devraient être coûteuses, du moins jusqu’à présent, à ce stade précoce.
• Leur production de masse pourrait prendre des années avant de démarrer, selon les prévisions des experts, au plus tôt à la fin de cette décennie. Bien sûr, le buzz se concentre sur les voitures, mais de telles batteries seront très probablement déployées sur les vélos électriques.

La faiblesse des batteries entrave l’ère électrique à venir

Limites de portée et anxiété

Après l’âge de pierre et celui de fer, vint l’âge de pétrole, qui est peu à peu remplacé par l’âge d’électricité. En effet, les moteurs électriques sont bien supérieurs aux moteurs à combustion interne, car ils sont plus légers, plus silencieux, plus durables, plus puissants et plus économiques à construire et à exploiter. Là où l’électricité peut être fournie en continu au moteur à des coûts raisonnables, comme dans les trains, les moteurs à combustion interne ont été abandonnés. Pourtant, il existe un problème quand il faut stocker l’éléctricité, par exemple pour les véhicules et les vélos électriques. En effet, un kilo de carburant stocké dans un réservoir délivre environ 12 fois plus d’énergie qu’un kilo de batterie. Bien sûr, une batterie peut être rechargée, alors qu’un kilo de carburant est brûlé et pollue, salit et use le moteur plus que l’électricité ; néanmoins, la faible densité énergétique limite l’autonomie de tout véhicule électrique, y compris les vélos. Les vélos électriques, comme les voitures électriques, utilisent des batteries lithium-ion qui, pour les vélos électriques, mettent au moins 90 minutes pour se recharger de 20 à 80 % sur une prise domestique. Pour les voitures, il faut en moyenne 250 kg de batterie pour 100 km d’autonomie, pour les VAE, il faut environ 3,5 kg de batterie pour atteindre la même autonomie, à condition de bien pédaler. Ces limites créent une angoisse, la peur souvent exagérée de rester coincé au milieu de nulle part, ou encore de devoir pédaler jusqu’à chez soi avec un vélo électrique de 25 kg. Avec un moteur à combustion interne, vous pouvez toujours aller acheter quelques litres de carburant à la prochaine station-service et revenir à votre voiture.

Les batteries lithium-ion sont chères et s’usent assez rapidement

Pour les vélos électriques, les batteries lithium-ion coûtent au moins un euro par watt de puissance. Elles perdent environ 2 % de leur capacité chaque année, même en restant inactives. Si elles sont bien entretenues, elles perdent au total environ 3 % de leur capacité tous les mille kilomètres et chaque année. Ces valeurs peuvent être dégradées ou améliorées en fonction des conditions d’utilisation et de stockage. De nombreux constructeurs automobiles garantissent que leurs batteries conservent au moins 70 % de leur capacité après 10 ans ou 180 000 km.

Elles peuvent prendre feu

L’un des plus gros défauts des batteries lithium-ion est la formation de dendrites à la surface de l’anode. Ces structures poussent comme des racines dans l’électrolyte et percent la barrière séparant l’anode et la cathode, provoquant un court-circuit de la batterie ou même  prendre feu. De plus, cela accélère la perte de capacité.​

Les batteries à l’état solide sont déjà une réalité, même si elles n’en sont qu’à leurs balbutiements

1. La semaine dernière, QuantumScape, une entreprise californienne, et Volkswagen, son principal investisseur, ont annoncé avoir atteint la durée de 500 000 km et 40 % d’autonomie en plus avec des batteries solides. Après mille cycles de recharge, soit plus de 500 000 km, leurs batteries gardaient encore 95 % de leur capacité initiale. De plus, elles peuvent se recharger complètement en moins de 15 minutes et offrent une autonomie au moins 40 % supérieure à celle des batteries lithium-ion. L’entreprise compte déjà 800 employés et dispose de suffisamment de liquidités pour poursuivre ses opérations jusqu’en 2027, date à laquelle elle prévoit de commencer lentement à commercialiser ses batteries, même si elle ne devrait pas livrer à ses clients des prototypes prêts à la production avant 2025.
2. Solid Power est une autre entreprise de batteries à semi-conducteurs du Colorado, aux États-Unis. Ils ont déjà livré à BMW des batteries de voiture à semi-conducteurs juste pour les tester, et prévoient de les lancer sur le marché d’ici 2028. Ils ont 50 employés et une situation financière solide, grâce aux investisseurs. Le site web de Solid Power indique : « Les processus de fabrication de cellules que nous avons développés sont déjà utilisés dans le monde entier pour les batteries lithium-ion traditionnelles, en grand volume de production. Cela, nous l’espérons, permettra aux fabricants de nos cellules de batterie entièrement solides de répondre aux exigences de volume et de coût des équipementiers. »
3. Nio est un constructeur automobile chinois bien établi. Très récemment, avec une de ses voitures de série, son PDG a parcouru 1 145 kilomètres sans arrêt avec une seule charge grâce à sa nouvelle batterie semi-solide brevetée. Il s’est constamment filmé en direct, pour prouver l’authenticité du test.
4. Des chercheurs de l’école d’ingénierie et de sciences appliquées John A. Paulson de Harvard ont développé un nouvelle batterie au lithium métal qui peut être chargée et déchargée au moins 6 000 fois.
5. Lors du prochain CES 2024, l’équipementier automobile allemand Schaeffler Americas présentera une batterie EV entièrement solide de « nouvelle génération ». Un cadre de Schaeffler a déclaré que le fournisseur avait déjà un client pour sa technologie, mais il a refusé de nommer le constructeur automobile.
6. Toyota, Mercedes, BMW, Volkswagen, Volvo, General Motors, Ford et Hyunday ne sont que quelques-uns des grands constructeurs automobiles qui investissent dans les batteries solides.
7. Depuis 2020, Mercedes a déjà vendu quelques (probablement plus de 100) bus eCitaro avec batteries à l’état solide, bien que maintenant ils produisent également des eCitaros avec des batteries NMC (Nickel Manganèse Cobalt).

Il semble que des batteries peu coûteuses et puissantes sont lentes à venir, et pourtant…

Pourtant, il y a seulement 40 ans, il n’existait pas de batteries rechargeables, à l’exception des batteries au plomb, lourdes et faibles. Depuis, nous avons parcouru un long chemin, ce qui est de bon augure pour l’avenir proche. Une batterie d’une autonomie de 200 km pesant moins de 1 kg et d’une durée de 20 ans n’est peut-être pas trop loin pour nos vélos électriques, même si cela devrait prendre plus de temps pour devenir bon marché.

Photos, de haut en bas : Solid Power, Samsung, Stromer, Schaeffler Americas, Mercedes.