Les fabricants de batteries EV se précipitent pour développer des matériaux cellulaires moins chers

Les véhicules électriques d'aujourd'hui fonctionnent avec des batteries lithium-ion, qui nécessitent du lithium, du cobalt, du manganèse et du nickel de haute qualité, dont les prix ont grimpé en flèche.

Les startups américaines et européennes se précipitent pour développer de nouvelles batteries utilisant deux matériaux abondants et bon marché – le sodium et le soufre – qui pourraient réduire la domination chinoise des batteries, atténuer les goulots d'étranglement imminents et conduire à des véhicules électriques grand public.

Les véhicules électriques d'aujourd'hui fonctionnent avec des batteries lithium-ion, principalement composées de lithium, de cobalt, de manganèse et de nickel de haute qualité, dont les prix ont grimpé en flèche.

Les producteurs occidentaux ont du mal à rattraper leurs rivaux asiatiques, et les constructeurs automobiles s'attendent à ce que les goulots d'étranglement de l'approvisionnement frappent la production automobile vers le milieu de la décennie.

Les véhicules électriques du futur - ceux qui arriveront après 2025 - pourraient passer à des cellules de batterie au sodium-ion ou au lithium-soufre qui pourraient être jusqu'à deux tiers moins chères que les cellules au lithium-ion d'aujourd'hui.

Mais leur promesse repose sur des percées potentielles dans le domaine de l'électrochimie par des startups telles que Theion, basée à Berlin, et Faradion, basée au Royaume-Uni, ainsi que Lyten aux États-Unis.

Les nouvelles chimies de batterie ont des problèmes à surmonter. Les batteries aux ions sodium ne stockent pas encore suffisamment d'énergie, tandis que les cellules au soufre ont tendance à se corroder rapidement et à ne pas durer longtemps.

Pourtant, plus d'une douzaine de start-ups ont attiré des millions de dollars d'investissements, ainsi que des subventions gouvernementales, pour développer de nouveaux types de batteries.

Pour l'instant, la Chine domine la production de batteries, y compris l'extraction et le raffinage des matières premières.

Benchmark Mineral Intelligence, un cabinet de conseil basé au Royaume-Uni, estime que la Chine possède actuellement 75% de la capacité mondiale de raffinage du cobalt et 59% de sa capacité de traitement du lithium.

"Nous dépendons toujours d'une chaîne d'approvisionnement en matériaux en provenance de Chine", a déclaré James Quinn, directeur général de la startup britannique de batteries aux ions sodium Faradion, qui a reçu plus d'un million de dollars de subventions gouvernementales d'Innovate UK avant d'être rachetée par le conglomérat indien Reliance l'année dernière pour 117 millions de dollars. "Si vous regardez les implications géopolitiques mondiales de cela, c'est un défi pour la sécurité énergétique, la sécurité économique et la sécurité nationale."

Les géants asiatiques des batteries travaillent également sur de nouvelles chimies. Le chinois CATL a annoncé son intention de commencer à produire des cellules à ions sodium en 2023. Le coréen LG Energy Solution vise à commencer à fabriquer des cellules au lithium-soufre d'ici 2025.

L'élément le plus cher d'une batterie de VE est la cathode, qui représente jusqu'à un tiers du coût d'une cellule de batterie.

La plupart des batteries de VE utilisent aujourd'hui l'un des deux types de cathodes : nickel cobalt manganèse (NCM) ou lithium fer phosphate (LFP).

Les cathodes NCM sont capables de stocker plus d'énergie, mais utilisent des matériaux coûteux (nickel, cobalt). Les cathodes LFP ne contiennent généralement pas autant d'énergie, mais elles sont plus sûres et ont tendance à être moins chères car elles utilisent des matériaux plus abondants.

Le coût des principaux matériaux cathodiques tels que le nickel et le cobalt a explosé au cours des deux dernières années.

C'est pourquoi tant d'entreprises espèrent substituer des matériaux moins chers et plus abondants tels que le sodium et le soufre, si leurs limitations techniques peuvent être surmontées.

"L'ion sodium a définitivement sa place, en particulier pour le stockage stationnaire et les véhicules bas de gamme sur des marchés sensibles aux coûts tels que la Chine, l'Inde, l'Afrique et l'Amérique du Sud", déclare le consultant Prabhakar Patil, ancien cadre de LG Chem.

"Le coût d'introduction du lithium-soufre est susceptible d'être plus élevé - même s'il a le potentiel d'être le coût le plus bas - faisant de l'électronique grand public l'application initiale", a déclaré Patil.

Amandarry, basée au Michigan, et la startup britannique AMTE Power développent des batteries aux ions sodium en utilisant du chlorure de sodium – essentiellement du sel de table – comme ingrédient principal de la cathode. Ils n'ont pas besoin de lithium, de cobalt ou de nickel - les trois ingrédients de batterie les plus chers.

Jeff Pratt, directeur général du UK Battery Industrialistion Center – une usine financée par l'État de 130 millions de livres (153 millions de dollars) qui loue ses lignes de production à des startups pour tester la chimie des batteries – a déclaré qu'il essayait d'intégrer les cellules d'une startup à ions sodium dans un calendrier de production chargé car il est "stratégiquement important" pour les espoirs de la Grande-Bretagne d'être à l'avant-garde du développement de nouvelles batteries de meilleure qualité.

Les sociétés américaines Lyten et Conamix, l'allemand Theion et le norvégien Morrow développent des cathodes lithium-soufre qui ont encore besoin de lithium en plus petites quantités, mais pas de nickel ni de cobalt.

En utilisant des matériaux cathodiques omniprésents – le soufre est largement utilisé dans les engrais, il est donc bon marché comme le sel – ces startups affirment que les coûts des batteries pourraient être réduits jusqu'à deux tiers, ce qui pourrait rendre les véhicules électriques abordables au-delà des classes moyennes.

Les batteries EV actuelles coûtent généralement entre 10 000 $ et 12 000 $.

"Si nous pouvons atteindre les objectifs que nous avons identifiés avec certains des plus grands constructeurs automobiles du monde, alors nous partons pour les courses", a déclaré la PDG de Conamix, Charlotte Hamilton.

Les startups de batteries disent qu'elles discutent avec de grands constructeurs automobiles, dont certains testent activement de nouvelles batteries qui pourraient être sur la route dans des véhicules électriques grand public avant la fin de la décennie. Les constructeurs automobiles tiennent à garder leurs options ouvertes.

"Avec le temps, plus de chimies (de batterie) sortiront", a déclaré Linda Zhang, ingénieur en chef de la camionnette électrique F150 Lightning de Ford. "Ce serait idiot de ne pas profiter de ces chimies."

Lors de la Journée de la batterie 2020 de Tesla, le PDG Elon Musk a déclaré qu'une "approche à trois niveaux" des batteries lithium-ion utilisant différents matériaux serait nécessaire pour construire des VE "vraiment abordables" - principalement avec des cellules de batterie LFP à base de fer - ainsi que des VE plus grands, plus puissants et plus chers utilisant des cellules NCM ou NCA à base de nickel avec un matériau de cathode en cobalt ou en aluminium.

Les développeurs de batteries espèrent pouvoir ajouter des batteries sodium-ion et lithium-soufre à la gamme ouverte à l'industrie automobile.

Duncan Williams, directeur général du cabinet de conseil Nomura Greentech, a déclaré que les découvertes récentes comblaient l'écart sur des questions telles que la densité énergétique et la durée de vie, "nous nous attendons donc à voir ces deux alternatives prendre des parts de marché à l'avenir".

Amandarry, basée au Michigan, produit déjà des cellules à ions sodium dans son usine de Haining, en Chine, de sorte que ces cellules ne seront pas éligibles aux incitations en vertu de la loi américaine sur la réduction de l'inflation.

L'entreprise annonce qu'elle construira également une usine en Amérique du Nord.

La partenaire Amy Chen affirme que la première application de transport d'Amandarry sera probablement les deux-roues électriques.

Mis à part un avantage de coût, Chen dit que les batteries d'Amandarry peuvent se recharger très rapidement - 80% en 15 minutes.

Le PDG d'AMTE Power, Kevin Brundish, a déclaré que la société se lançait initialement avec des batteries pour les systèmes de stockage d'énergie stationnaires, tels que ceux utilisés par les opérateurs de réseau, où la densité d'énergie est moins importante.

Quinn de Faradion a déclaré que les batteries de la société sont également déjà compétitives avec les cellules LFP et qu'elle a formé une coentreprise pour le stockage d'énergie avec le géant de l'agroalimentaire ICM Australia.

Quinn a déclaré qu'à une échelle relativement faible, les batteries de Faradion devraient être un tiers moins chères que les batteries LFP à base de fer.

Il a déclaré que Faradion avait eu des discussions avec "la plupart des grandes entreprises automobiles".

"Dans les trois à cinq prochaines années, vous verrez (nos batteries) sur la route."

Selon Celina Mikolajczak, directrice technique des batteries de la startup californienne Lyten, qui a attiré 47,5 millions de dollars d'investisseurs, selon le site d'investissement PitchBook, le soufre est une "chimie dure et méchante" pour fonctionner dans les batteries.

Mais, a-t-elle dit, c'est "la chimie du futur, la chimie qui rend les batteries grand public".

Ulrich Ehmes, PDG de Theion - le grec ancien pour le soufre - dit que le problème avec le soufre est qu'il est si corrosif qu'il tue une batterie après 30 charges.

Mais il a déclaré que la société basée à Berlin, qui est soutenue par une poignée d'investisseurs providentiels et privés, a développé un moyen de traiter et de revêtir une électrode au lithium-soufre qui devrait la faire durer toute la vie d'un véhicule électrique.

Theion prévoit de commencer à fournir des batteries plus tard cette année pour alimenter les pompes des fusées commerciales lors du lancement. Ehmes a déclaré que la société prévoyait de commencer à envoyer des cellules de test aux constructeurs automobiles en 2024, les premières applications de production de véhicules électriques étant attendues vers 2027.

Theion pense que ses cathodes au lithium-soufre pourraient stocker trois fois plus d'énergie que les cellules NCM standard, charger ultra rapidement et réduire les coûts des cellules de batterie de deux tiers, à environ 34 $ par kilowattheure.

"C'est bon marché, c'est une densité d'énergie élevée, donc cela semble être une évidence", a déclaré Ehmes.

Tony Harper, directeur du Faraday Battery Challenge, le programme du gouvernement britannique qui investit dans la promotion de nouvelles technologies de batteries, a déclaré que l'industrie automobile est de plus en plus préoccupée par les approvisionnements en lithium, cobalt, manganèse et nickel, de sorte que de nouvelles chimies sont vitales.

"Cela éliminera la pression de ce que nous pensions être une situation très, très difficile", a déclaré Harper.

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