Les différentes batteries des voitures électriques

Par Branche toi – le 18 février, 2020 dans Dossiers

Au début des années 1900, les voitures électriques étaient l’apanage des personnalités politiques et scientifiques comme Thomas Edison, John D. Rockefeller et Clara Ford, l’épouse de Henry Ford. Ces célébrités ont choisi ce moyen de transport pour tirer profit de sa conduite silencieuse par rapport au moteur thermique, longtemps considéré comme bruyant et polluant. Aujourd’hui encore, les automobilistes préoccupés par l’environnement redécouvrent les véhicules électriques (VE) dans toute une panoplie de déclinaisons de modèles.

Évidemment, le développement de l’industrie du véhicule électrique va de pair avec l’évolution de la batterie de voiture électrique. Motivée par les préoccupations environnementales et les limitations des ressources en pétrole, l’industrie automobile a continué à développer différentes technologies à carburant alternatif. Parmi toutes les solutions possibles n’utilisant pas de pétrole, les véhicules électriques constituent l’alternative la plus répandue et la plus populaire. Un des plus beaux avantages de cette popularité est certainement que ces voitures brillent par leur faible émission de carbone. En plus de contribuer à assainir l’air, les VE fonctionnent à l’électricité que l’on peut générer par des moyens plus renouvelables et écologiques. Une raison d’ailleurs pour l’État français (et plusieurs autres pays européens) à mettre en place des dispositifs d’aide à l’achat de ces voitures électriques.

Allant de l’économique Nissan Leaf au modèle haut de gamme Tesla Model S, la voiture électrique se distingue du véhicule dit «thermique» par son gros moteur électrique alimenté par un système de batterie rechargeable. Parmi toutes ces batteries, la Lithium-ion est la technologie de batterie parmi les plus célèbres. Les constructeurs de VE ont expérimenté une à une les technologies qui permettent de stocker l’énergie électrique que l’on peut exploiter pour faire fonctionner une voiture électrique et les résultats sont différents, mais intéressants!

Les batteries au plomb et au nickel-hydrure métallique

Autrefois très popularisées aux États-Unis et sur une partie de l’Europe, les batteries au plomb et les batteries au nickel-hydrure métallique étaient à l’origine utilisées dans les premiers véhicules électriques tels que l’EV1 de General Motors. Toutefois, il s’agit ici d’une technologie plutôt dépassée en tant que principale source de stockage d’énergie dans les véhicules électriques.

Il faut savoir que les batteries au plomb-acide ont été longtemps utilisées dans des voitures classiques à motorisation thermique. Peu coûteuses, ces batteries délivrent, cependant, une énergie spécifique faible d’environ 34 Wh/kg. Les batteries au nickel-hydrure métallique sont, quant à elles, considérées supérieures, car elles peuvent fournir jusqu’à deux fois d’énergie (68 Wh/kg) par rapport aux batteries plomb-acide. L’utilisation de la technologie au nickel-hydrure permet donc aux véhicules électriques de gagner en légèreté et donc de réduire les coûts énergétiques associés à la propulsion. Par ailleurs, cette dernière possède également une densité d’énergie supérieure à celle des batteries plomb-acide, ce qui permettra de gagner plus d’espace.

Cependant, n’oublions pas que cette technologie de batterie présente quelques lacunes, telles que le faible rendement de charge (généralement inférieur à celui de la batterie Lithium). Il subsiste également un risque de déchargement (jusqu’à 12,5 % par jour dans des conditions de température ambiante normales), qui se multiplie lorsque les batteries se trouvent à une température excessive. Autant donc éviter ce type de batterie dans les régions chaudes. En outre, une raison de plus qui a freiné la démocratisation de ce type de batteries, c’est la controverse juridique sur les batteries de grande capacité.

Les batteries au lithium-ion

Les batteries au lithium-ion (Li-ion) sont désormais considérées comme la norme pour les véhicules électriques. S’il en existe de nombreuses variantes ayant chacune leurs propres caractéristiques, les constructeurs automobiles s’efforcent de sélectionner celles qui offrent la meilleure durée de vie. Cette technologie offre d’ailleurs de nombreux avantages :

une excellente énergie spécifique (140 Wh/kg);
une densité d’énergie optimale pour équiper les véhicules électriques modernes;
un faible risque d’autodécharge (5 % par mois) inférieur à celui des batteries au nickel-hydrure métallique.

Cependant, les batteries Li-ion ne sont pas non plus exemptes de défaut :

c’est une technologie encore très coûteuse;
le risque de surcharge et de surchauffe n’est pas négligeable, ce qui aura un impact sur la sécurité du conducteur et des passagers;
un risque d’incendie du véhicule ou d’explosion de la batterie est possible.

Pour souligner ce dernier inconvénient de la batterie Li-ion, rappelons l’histoire d’une voiture Tesla Model S, fonctionnant à l’aide de batteries Li-ion, qui avait soudainement pris feu en raison des problèmes de charge. Néanmoins, le constructeur californien a déployé de gros efforts pour améliorer la sécurité des véhicules utilisant des batteries Li-ion.

Les batteries lithium-ion utilisent l’oxyde de lithium métallique comme matériau actif pour la cathode et le graphite comme matériau actif pour l’anode. L’électrolyte contient, quant à lui, des solvants à base d’hexafluorophosphate de lithium et de carbonate. Un séparateur de polyoléfine poreux est ensuite inséré entre les feuilles de cathode et d’anode. Alors, pourquoi les constructeurs de VE utilisent presque exclusivement des batteries lithium-ion? En effet, la densité énergétique de ces batteries est relativement élevée, allant de 100Wh/kg à 300Wh/kg.

Les différents types de batteries lithium-ion

Il existe trois types de batteries lithium-ion pour véhicules électriques : prismatique, à poche et cylindrique.

Les batteries lithium-ion dites «prismatiques» équipent de nombreux véhicules électriques allant de la BMW i3 à la Volkswagen e-Golf, en passant par la Fiat 500e. La capacité varie de 20 Ah à 100 Ah.
Les batteries lithium-ion à poche équipent les voitures électriques comme la Nissan Leaf et la Chevy Volt. La capacité de charge sur ces batteries va de 20 Ah à 50 Ah.
Enfin, les batteries lithium-ion de type «cylindrique» sont principalement utilisées dans les voitures électriques Tesla, comme le modèle S. Avec la batterie de référence 18650, le constructeur américain Tesla tire parti d’une capacité réduite de 3,1 Ah à 3,5 Ah, mais empilable pour former 7 000 cellules.

Notons que les constructeurs de voitures ne produisent pas eux-mêmes leurs batteries : les principaux fournisseurs dans ce domaine sont :

LG Chem (fournisseur de General Motors et de Renault);
Panasonic (fournisseur de Tesla et de Volkswagen);
AESC (fournisseur de Nissan);
et Samsung (fournisseur de BMW).

Comment choisir sa batterie de voiture électronique?

Les voitures électriques ont le vent en poupe ces dernières années, et depuis quelques mois, on parle de leur déploiement massif grâce aux nombreux dispositifs d’aide à l’achat. Cependant, le simple fait de parler de voiture électrique nous fait automatiquement penser aux batteries dudit véhicule. Outre la batterie livrée en série dans votre VE, il arrive aussi que celle-ci tombe en panne et que vous deviez en acheter une autre pour continuer à profiter de tous les avantages de votre véhicule électrique ou hybride. Voici quelques critères pour trouver la batterie qui correspond le mieux à vos besoins :

La durée de vie de la batterie : la plupart des batteries de véhicules électriques sont garanties 8 ans ou 160 000 km. Le climat chaud étant susceptible de favoriser la perte de capacité, il est préférable de vous renseigner sur la durée de vie de votre batterie en fonction des différentes conditions météo et du contexte d’utilisation.
La fiabilité et la sécurité : il faut savoir que des problèmes de sécurité risqueront de survenir si vous n’utilisez pas correctement votre batterie ou si vous la conservez au-delà d’un certain temps. Un incident similaire est survenu il y a 150 ans lorsque des chaudières à vapeur ont explosé et que des réservoirs d’essence ont éclaté. En tout cas, il est indispensable d’utiliser la batterie suivant le contexte adapté et dans un environnement sécurisé.
Le coût de la batterie estimé à 10 000 euros : c’est aussi généralement le prix d’achat de la voiture électrique, grâce aux aides gouvernementales (le bonus écologique à 6 300 euros ou 10 000 euros si vous optez pour la reprise d’une ancienne voiture diesel). Notons aussi que le coût total de la batterie inclut le refroidissement des cellules, le chauffage et la garantie de 8 ans.
La performance de la batterie : contrairement à un dispositif ICE qui fonctionne dans un éventail de température étendue, les batteries sont sensibles à la chaleur et au froid, et impliquent donc un contrôle climatique permanent. Rappelons que la chaleur réduit la durée de vie, tandis que le froid diminue temporairement les performances.
L’énergie spécifique : en matière de valeur calorifique, une batterie ne génère que 1 % de ce que produit une motorisation thermique. Un kilo d’essence donne environ 12 kWh d’énergie, alors qu’une batterie de 1 kg en fournit environ 150. Cependant, le moteur électrique est efficace à 90 %, tandis qu’une ICE moderne consomme environ 25 %.
La puissance : le système de propulsion électrique fournit un meilleur couple avec la même puissance que le moteur à combustion interne. La batterie de VE peut donc fournir une excellente accélération.

Que vous ayez déjà une voiture électrique ou que vous ayez envie de choisir un VE performant, la batterie de ce type de véhicule nécessite beaucoup d’attention. Pouvant être victimes de quelques défauts techniques et possédant des caractéristiques très différentes selon les modèles, les batteries de voitures électriques devraient toujours se retrouver au cœur de vos préoccupations. Pour faire le bon choix et éviter les mauvaises surprises, n’hésitez pas à vous tourner vers des experts dans le domaine et à demander l’aide de spécialistes.