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Prévision de l'innovation en matière de batteries de véhicules électriques (2023)

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2022 a été une année sans précédent pour tous les aspects de l'énergie propre et durable, les véhicules électriques étant au premier plan de la plupart des commentaires. Cela est dû en grande partie à l'émergence d'une législation, telle que l'avis de proposition de réglementation (Notice of Proposed Rulemaking) de la Federal Highway Administration du ministère américain des Transports, qui vise à contribuer à la création et à la normalisation d'un réseau national de recharge des véhicules électriques (VE).

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En outre, la loi, qui est sans doute l'un des plus gros investissements dans l'histoire du climat américain, donne la priorité à la réduction des gaz à effet de serre par le biais d'une multitude de dispositions, y compris celles qui encouragent l'industrie des VE par une série de crédits d'impôt. Michelle Tokarz, vice-présidente des partenariats et de l'innovation chez The Coretec Group, nous fait part de ses réflexions et de ses prédictions sur la direction que prendra, selon elle, l'industrie des batteries pour VE en 2023.

Défis actuels de l'industrie de la recharge des VE

La législation étant susceptible d'entraîner une augmentation de la production de véhicules électriques, des stations de recharge appropriées seront nécessaires pour répondre à cette demande accrue. Mais multiplier simplement la technologie actuelle des stations de recharge n'est pas la solution. Actuellement, la plupart des stations ont besoin d'un minimum de 30 minutes pour fournir une charge raisonnable, alors qu'il faut 10 à 15 minutes pour remplir le réservoir d'une voiture traditionnelle à moteur à combustion interne. La logistique nécessaire pour avoir beaucoup plus de VE sur la route et maintenir leurs batteries chargées pourrait rapidement devenir un cauchemar. L'adoption généralisée des VE pourrait s'accompagner de files d'attente longues et fastidieuses pour accéder aux ports de recharge. La création d'un plus grand nombre de bornes de recharge et de voitures de recharge à domicile peut contribuer à réduire ces temps d'attente, mais la recharge à domicile a ses propres limites. Cette méthode de recharge entraîne une augmentation de la facture d'électricité des ménages et limite l'utilisateur à une portée/un rayon de déplacement proche de son domicile, ce qui signifie que les déplacements plus longs nécessiteront toujours un réseau de bornes de recharge. De plus, la disponibilité de la recharge à domicile n'est pas une réalité pour ceux qui vivent dans des zones plus urbaines et qui peuvent se garer dans des endroits dépourvus d'infrastructure de recharge, comme dans la rue ou dans des abris de voiture.

Augmentation du développement et de l'utilisation des anodes en silicium dans les batteries de VE

Afin d'atténuer ces obstacles à l'adoption généralisée, les scientifiques et les entreprises mènent davantage de recherches sur les avancées technologiques basées sur la chimie qui permettront aux batteries des VE de se charger plus rapidement, de s'adapter à de plus grandes portées et d'avoir des cycles de vie plus longs. L'augmentation de l'autonomie des batteries des VE reste l'un des moyens les plus simples de réduire la dépendance à l'égard des stations de recharge disponibles. Des temps de charge plus rapides permettraient également d'atténuer les goulets d'étranglement en matière de recharge. Une méthode pour y parvenir consiste à utiliser des anodes à base de silicium dans les batteries lithium-ion utilisées pour alimenter les VE. Les principaux composants des batteries lithium-ion sont les collecteurs de courant, les anodes, les cathodes, les séparateurs et les électrolytes. Traditionnellement, les anodes sont en graphite (une forme particulière de carbone), mais le silicium est de plus en plus considéré comme la prochaine étape logique de l'évolution de la chimie des anodes de batteries. Cela est dû, en partie, au fait que le silicium a une capacité de charge dix fois supérieure à celle des anodes en graphite traditionnelles et qu'il est disponible en abondance. Il s'agit littéralement du deuxième élément le plus abondant sur terre.

Il convient toutefois de noter que, malgré l'augmentation considérable de la capacité de charge du silicium par rapport au graphite, sa mise en œuvre a été entravée par un manque d'intégrité mécanique, une faible stabilité de cycle et une mauvaise conductivité. Pour ces raisons, il est peu probable que les anodes en silicium remplacent de sitôt les anodes en graphite. Mais cela ne veut pas dire que nous devons complètement exclure le silicium comme solution.

Les chercheurs étudient activement les moyens de remédier aux limites du silicium et de créer une voie viable dans un avenir proche. Par exemple, il est possible d'utiliser des structures uniques et des formulations d'anodes actives qui incorporeront des échelles de longueur nanométriques, une utilisation appropriée des sources de carbone et une couche d'électrolyte solide-interphase (SEI) qui peut mieux résister à la formation et à la dégradation typiques qui se produisent avec les particules d'anode en silicium actuelles. Le silicium est déjà utilisé comme additif dans les anodes en graphite, mais dans des pourcentages très faibles. Pour obtenir véritablement la capacité de charge nécessaire à l'obtention d'une meilleure autonomie, il faudra suivre de près l'évolution du silicium.

Les cathodes LFP ne sont pas l'avenir des batteries de véhicules électriques

l'année 2023 verra probablement une augmentation de l'utilisation des cathodes LFP dans la recharge des VE, principalement parce que les volumes de TOUTES les cathodes sont attendus avec l'augmentation prévue des VE. Les cathodes LFP offrent un certain nombre d'avantages, notamment un coût inférieur, un cycle de vie plus long et une meilleure résistance aux températures élevées. Mais ce n'est pas pour rien que les matériaux de cathodes ternaires comme le nickel-manganèse-cobalt (NMC) et le lithium-nickel-cobalt-oxyde d'aluminium (NCA) sont actuellement les piliers des batteries. Leurs homologues LFP n'ont pas la même capacité que les batteries NCA/NMC et ont une densité énergétique plus faible. Le poids et le volume nécessaires pour obtenir la capacité de charge nécessaire d'une LFP la rendent inadaptée aux batteries des VE, mais plutôt aux applications de stockage sur réseau où le poids n'est pas un problème. Pour les VE bas de gamme où l'autonomie (capacité de charge disponible) n'est pas aussi importante, certains VE basés sur des cathodes LFP existent encore, mais l'innovation viendra probablement des cathodes NMC et NCA.

Dans l'ensemble, malgré ces limites évidentes, l'inflation, les pics de consommation de carburant, l'augmentation des coûts opérationnels et les conditions géopolitiques instables pourraient inciter une multitude de développeurs de batteries pour VE à opter pour la technologie LFP moins chère, mais pas à une échelle qui surpasserait les batteries NCA/NMC.

Les électrolytes liquides continueront à dominer le marché jusqu'en 2023

Malgré les inconvénients des électrolytes liquides tels que l'inflammabilité et l'explosivité, l'année 2023 verra probablement la poursuite de sa domination sur le marché des batteries lithium-ion en raison de ses niveaux élevés de conductivité, de son intensité d'autodécharge, de sa plage de température de fonctionnement plus large et de sa mouillabilité à la surface des électrodes. À l'heure actuelle, les seules véritables alternatives connues à l'électrolyte liquide sont les électrolytes en phase solide que l'on trouve dans les batteries à l'état solide. Les batteries à l'état solide présentent un grand potentiel d'augmentation de la capacité de charge et de la sécurité. Cependant, elles en sont encore au stade de la recherche dans l'industrie. Les chercheurs estiment qu'il faudra 5 à 10 ans pour que les électrolytes solides deviennent courants.

Conclusion

Comme de plus en plus d'acteurs entreront dans l'industrie des VE en 2023 en raison de l'attention accrue portée au changement climatique et à la réduction des émissions de GES, les innovations dans le secteur des batteries pour VE devraient suivre le mouvement. En l'état actuel des choses, les temps de charge actuels constituent un obstacle évident à l'adoption massive des VE, et l'industrie doit développer des solutions pour y remédier directement. Au cours des prochaines années, nous pouvons nous attendre à voir apparaître de nouvelles technologies qui renforcent nos batteries, les rendant plus faciles à utiliser et leur donnant une plus longue durée de vie. Ainsi, les anodes en silicium qui permettent aux batteries des VE de se charger plus rapidement, de conserver plus d'énergie et de durer beaucoup plus longtemps sont impératives pour que leur utilisation généralisée devienne réalité.