La liste de souhaits de la batterie EV

Les voitures électriques existaient à peine en 2010, lorsque la Tesla Model S était encore une lueur dans les yeux d'Elon Musk. Aujourd'hui, plus de 20 millions de véhicules électriques entourent le monde, selon BloombergNEF - et ce nombre devrait presque quadrupler pour atteindre 77 millions d'ici 2025. Une batterie sera le cœur haute tension de chacun de ces 77 millions de véhicules électriques, et de loin leur composant le plus cher, déclenchant une course mondiale pour s'approvisionner éthiquement en matériaux et augmenter la production pour répondre à l'explosion de la demande.

Les véhicules électriques pourraient avoir saisi un record de 5,8% du marché américain en 2022, selon JD Power, et pourraient approcher 11% du marché mondial cette année. Mais les experts croient toujours que de meilleures batteries, et bien d'autres, sont la clé pour que les véhicules électriques atteignent un point de basculement du marché, même si Reuters prévoit que les constructeurs automobiles dépensent 1,2 billion de dollars pour développer et produire des véhicules électriques jusqu'en 2030.

IEEE Spectrum a demandé à cinq experts de l'industrie de regarder profondément dans leurs propres boules de cristal et de décrire ce qui doit se passer dans l'espace des batteries EV pour sevrer le monde des transports à combustibles fossiles et sur la prise. Voici ce qu'ils ont dit :

Upstart Lucid Motors n'a pas construit beaucoup de voitures, mais il s'est bâti une réputation avec l'autonomie record de 830 kilomètres de la berline Air Grand Touring Performance. Cette gamme témoigne de la recherche obsessionnelle d'efficacité de Lucid : l'Air utilise les mêmes cellules cylindriques au format 2170 (fournies par Samsung SDI) que de nombreux véhicules électriques, mais parcourt plus de kilomètres grâce à une gestion supérieure de la batterie, des unités de puissance compactes mais musclées et une aérodynamique glissante.

La conception sophistiquée du châssis et de la batterie donne une nouvelle vie aux chimies "inférieures" - en particulier le phosphate de fer au lithium qui est la chose la plus chaude dans les batteries du monde entier - qui seraient autrement non compétitives et obsolètes.

On pourrait penser que Lucid demanderait à chaque modèle électrique de couvrir de si vastes distances. Au lieu de cela, les dirigeants de Lucid voient un avenir radieux dans les voitures qui visent une efficacité maximale - plutôt que l'autonomie en soi - via des batteries plus petites et plus abordables.

Le dernier modèle Air Touring de Lucid est le plus efficace à ce jour sur une base par mile. Désormais le véhicule de production le plus aérodynamique au monde, avec un coefficient de traînée de 0,197, l'Air Touring offre une distance de 7,44 kilomètres selon l'EPA pour chaque kilowattheure embarqué. Pourtant, la propulsion de cette péniche de luxe pleine grandeur nécessite toujours une batterie de 92 kWh à bord.

Avec tout cela à l'esprit, l'entreprise développe sa prochaine génération de batteries. En extrapolant à partir des objectifs de l'entreprise, un futur Lucid de taille compacte - pensez à la taille de Tesla Model 3 ou Model Y - pourrait réduire de manière décisive sa batterie sans sacrifier l'autonomie utile.

"Notre objectif est d'améliorer encore plus l'efficacité", déclare Dlala.

"Si nous faisons une voiture de 250 miles, nous pourrions avoir une batterie de seulement 40 kWh", soit moins de la moitié de la taille de l'Air. C'est la même taille de batterie qu'une Nissan Leaf de base relativement petite, dont l'efficacité moindre se traduit par seulement 240 km d'autonomie selon l'EPA.

De telles batteries compactes ne permettraient pas seulement d'économiser de l'argent pour les fabricants et les consommateurs. Ils nécessiteraient moins de matières premières et raffinées, permettant aux constructeurs automobiles de construire théoriquement beaucoup plus de voitures à partir d'un approvisionnement fini. Ce pack pèserait également environ un tiers de la batterie actuelle la plus puissante de Lucid. Le résultat serait une chaîne de gains qui réchaufferaient le cœur de l'ingénieur le plus soucieux de la masse : un châssis plus léger pour supporter la batterie plus petite, des structures de collision plus minces, des freins réduits. Plus d'espace utilisable pour les passagers et le fret. Toutes ces économies augmenteraient encore l'autonomie et les performances.

Ce grand design, naturellement, exigerait une rafale de développement de chargeurs. Une fois que les chargeurs sont aussi omniprésents et fiables que les stations-service - et presque aussi rapides pour les pleins - "alors je n'ai plus besoin de 400 miles d'autonomie", dit Dlala.

Tout cela pourrait exaucer le souhait ultime et insaisissable des fabricants de véhicules électriques : la parité des prix avec les automobiles à combustion interne.

"Cette combinaison d'efficacité et d'infrastructure nous permettra de créer des prix compétitifs par rapport aux voitures à combustion interne", déclare Dlala.

Castilloux affirme que les percées révolutionnaires en matière de batteries de véhicules électriques ont jusqu'à présent été rares. Pourtant, les batteries EV sont toujours au cœur du calcul des constructeurs automobiles, car ils recherchent un approvisionnement durable et abordable dans une période de croissance explosive. Dans un marché affamé de ce qu'ils considèrent comme leur juste part de kilowattheures, les constructeurs automobiles plus petits ou moins connectés peuvent en particulier avoir faim.

"Tout le monde est en concurrence pour un approvisionnement limité", explique Ryan Castilloux. "Cela crée une trajectoire de croissance grumeleuse dans les véhicules électriques. C'est un défi immense, et qui ne disparaîtra pas tant que la croissance ne ralentira pas et que l'offre ne pourra pas suivre."

"Au cours des dernières décennies, il n'aurait pas été logique de penser qu'un constructeur automobile devienne une entreprise de transformation ou d'exploitation minière, mais maintenant, avec la rareté des approvisionnements, ils doivent prendre des mesures drastiques."—Ryan Castilloux, Adamas Intelligence

Une industrie des batteries qui a réussi à augmenter la teneur en nickel pour des performances plus élevées et à réduire le cobalt pour réduire les coûts, s'est heurtée à un mur de rendements décroissants via la seule chimie. Cela laisse la conception des batteries comme une nouvelle frontière : Castilloux se félicite de la volonté d'éliminer "l'aluminium et d'autres matériaux zombies" pour gagner du poids et de l'espace. Cet effort se traduit par des innovations telles que les batteries cylindriques grand format avec des rapports plus élevés de matériau actif par rapport aux boîtiers environnants, ainsi que des conceptions dites "cell-to-pack" ou "pack-to-frame". Les véhicules électriques "Neue Klasse" critiques de BMW, les premiers arrivés en 2025, n'en sont qu'un exemple : les cellules grand format, sans modules de boîtier traditionnels requis, remplissent tout un plancher ouvert et servent d'élément structurel résistant aux chocs.

"Cela devient un moyen peu coûteux de générer de grandes améliorations dans la densité du pack et d'augmenter le kilométrage d'un véhicule", déclare Castillloux.

Ce type de conception sophistiquée du châssis et de la batterie peut également aider à uniformiser les règles du jeu, en donnant une nouvelle vie aux produits chimiques "inférieurs" - en particulier le phosphate de fer au lithium qui est la chose la plus chaude dans les batteries du monde entier - qui seraient autrement non compétitifs et obsolètes.

"Les choses évoluent dans la bonne direction en Amérique du Nord et en Europe, mais c'est trop peu trop tard pour le moment, et l'Occident se bouscule collectivement pour répondre à la demande."

La transmission et la batterie d'un véhicule électrique Mercedes-Benz EQS sur la chaîne de montage de l'usine du groupe Mercedes-Benz à Sindelfingen, en Allemagne, le lundi 13 février 2023. Krisztian Bocsi/Getty Images

La tragédie, dit Castilloux, est que la demande de véhicules électriques était anticipée depuis plusieurs années, "mais l'action ne se produit que maintenant".

"La Chine n'a été qu'un seul à agir en conséquence, et a maintenant une décennie d'avance sur le reste du monde", à la fois dans le raffinage et le traitement des matériaux de batterie, et dans la production de cellules elle-même.

Tesla s'est également démarqué face aux constructeurs automobiles historiques en pensant en termes d'intégration verticale, la nécessité de contrôler l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement, des mines de saumure de lithium et de cobalt à la production finale et au recyclage.

"Au cours des dernières décennies, il n'aurait pas été logique de penser qu'un constructeur automobile devienne une entreprise de transformation ou d'exploitation minière, mais maintenant, avec la rareté des approvisionnements, ils doivent prendre des mesures drastiques."

Les constructeurs automobiles se précipitent pour répondre à la demande croissante de véhicules électriques et combler les lacunes béantes du marché, notamment en créant une chaîne d'approvisionnement locale de matériaux de batterie ainsi que de batteries. Aux États-Unis seulement, Atlas Public Policy totalise 128 milliards de dollars d'investissements annoncés dans les usines de véhicules électriques et de batteries et le recyclage. Cela laisse encore un autre angle mort : l'infrastructure de recharge. Mis à part les superchargeurs dominants de Tesla, de nombreux experts citent un réseau de recharge disparate et notoirement peu fiable comme un obstacle majeur à l'adoption généralisée des véhicules électriques.

"L'infrastructure de recharge est sur notre liste de souhaits des choses qui doivent être améliorées", a déclaré Dan Nicholson, qui aide à diriger les nouvelles initiatives de recharge de General Motors.

La loi américaine sur l'infrastructure de 2021 prévoit 7,5 milliards de dollars pour construire un réseau de 500 000 chargeurs de VE d'ici 2030. Mais plutôt que de posséder et d'exploiter leurs propres chargeurs comme Tesla, comme les constructeurs automobiles exploitant des chaînes de stations-service propriétaires, GM, Ford et d'autres soutiennent que les chargeurs standardisés et open source sont essentiels pour convaincre davantage d'Américains d'abandonner l'habitude ICE. Ces chargeurs doivent être disponibles partout où les gens vivent et travaillent, a déclaré Nicholson, et ouverts aux conducteurs de toutes les marques de voitures.

Cela aidera si ces chargeurs fonctionnent réellement : une étude de 2022 a montré que près de 25 % des chargeurs publics dans la région de la baie de San Francisco - elle-même une Mecque pour la possession de véhicules électriques - ne fonctionnaient pas correctement.

Les constructeurs automobiles et les fabricants de batteries sont à bord avec de multiples solutions, y compris la montée en flèche des cellules lithium-fer-phosphate dans les Teslas, Ford et autres modèles.

Pour combler les lacunes des réseaux publics, GM collabore avec EVGo sur un réseau national de 2 000 bornes de recharge rapide CC, situées dans 500 centres de voyage Pilot et Flying J, la plupart le long des principaux corridors. Pour atteindre les gens là où ils vivent, y compris les personnes n'ayant pas accès à la recharge à domicile, GM fait appel à ses plus de 4 400 concessionnaires pour construire jusqu'à 10 bornes de recharge de niveau 2 chacun, à la fois chez les concessionnaires et dans des endroits clés, y compris les communautés urbaines et rurales mal desservies. Nicholson note que 90 % de la population américaine vit à moins de 16 kilomètres d'un concessionnaire GM.

En tant que membre du conseil d'administration de SAE, Nicholson soutient également les normes d'avenir pour les véhicules électriques, les connecteurs et les chargeurs. Cela inclut la norme internationale ISO 15118 qui définit la communication bidirectionnelle entre les véhicules électriques et les chargeurs. Cette norme est la clé de "Plug and Charge", le système d'interopérabilité en herbe qui permet aux conducteurs de n'importe quel véhicule électrique de se brancher sur n'importe quel chargeur rapide CC et d'être simplement facturés à l'arrière. C'est ainsi que Teslas fonctionne depuis 2012, mais avec l'avantage d'un système fermé qui n'a besoin que de reconnaître et de communiquer avec les modèles Tesla.

Nicholson a déclaré que GM recherchait également des "garanties de disponibilité" avec des collaborateurs de charge. Cela permettra aux conducteurs de voir à l'avance si un chargeur est opérationnel, et de réserver une place.

"Les gens doivent pouvoir réserver une station et savoir que cela fonctionnera quand ils y arriveront", a-t-il déclaré.

Malgré une année de boom électrique en 2022, certains analystes révisent à la baisse les prévisions d'adoption des VE, en raison des clés à molette d'une demande imprévisible, d'une récession imminente et de problèmes de chaîne d'approvisionnement. S&P Global Mobility reste optimiste, prédisant que 42 % des acheteurs mondiaux choisiront un VE en 2030, compte tenu de l'objectif du président Biden de 50 % de pénétration des VE.

"C'est beaucoup de croissance, mais il y a beaucoup de gens qui n'avanceront pas aussi vite", a déclaré Brinley. Pousser les véhicules électriques à la majorité du marché nécessitera que les étoiles s'alignent. Brinley dit que la clé la plus critique est une explosion continue de nouveaux modèles de véhicules électriques à tous les prix, y compris les VUS et les camionnettes qui sont la pierre angulaire des acheteurs américains.

En ce qui concerne les batteries, Brinley affirme que les fabricants d'ICE avec une empreinte de fabrication, une main-d'œuvre et un savoir-faire existants pourraient trouver un avantage sur les nouveaux venus. La question sera de savoir dans quelle mesure des entreprises comme General Motors et Ford peuvent gérer la transition, de la réduction de la production d'ICE au recyclage des travailleurs – dont moins d'entre eux peuvent être nécessaires pour produire des batteries et des moteurs que des groupes motopropulseurs ICE. En février, Ford a annoncé une nouvelle usine de 3,5 milliards de dollars dans le Michigan pour construire des batteries LFP, sous licence de la technologie du chinois CATL, actuellement le plus grand producteur de lithium-ion au monde.

"Certains constructeurs automobiles (anciens) utiliseront le LFP pour certains cas d'utilisation, et le développement à semi-conducteurs pourrait à nouveau changer la dynamique", a déclaré Brinley. "Mais pour le moment, vous avez besoin à la fois de batteries et de moteurs, car les gens achèteront les deux", déclare Brinley.

À un moment donné, dit Brinley, c'est un jeu à somme nulle : un marché mondial plat pour les voitures ne peut pas accueillir confortablement les deux types de groupes motopropulseurs.

"Les ventes d'ICE doivent baisser pour que les ventes de BEV augmentent", déclare Brinley. "Et cela va créer un marché sauvage dans les prochaines années."

NanoGraf fait partie de plusieurs start-up qui souhaitent non seulement des batteries plus durables, mais une chaîne d'approvisionnement nord-américaine stable et compétitive pour contrer la domination chinoise des batteries. La loi sur la réduction de l'inflation a stimulé un tsunami sans précédent d'investissements locaux, en exigeant un approvisionnement national solide en batteries et en matériaux de batterie comme condition des allégements fiscaux pour les fabricants et les consommateurs de véhicules électriques. Cela comprend un crédit d'impôt de 35 $ par kWh sur chaque cellule lithium-ion produite et un allégement fiscal de 7 500 $ sur les véhicules électriques admissibles.

Connor Hund a déclaré que NanoGraf vise à produire à terre son matériau d'anode en silicium dans une nouvelle usine de Chicago à partir du deuxième trimestre de cette année. La société, dont les bailleurs de fonds incluent le ministère de la Défense, affirme avoir créé la cellule cylindrique 18650 la plus dense en énergie à ce jour, à 3,8 ampères-heures. La clé technologique est un noyau pré-lithié qui permet un pourcentage de silicium d'anode aussi élevé que 25 %, par rapport aux cellules qui atteignent généralement 5 à 7 % de silicium.

"Il est certainement possible d'augmenter la gamme des véhicules électriques de 20, 30 ou même 50 % en utilisant du silicium", dit-il.

Mais qu'il s'agisse de NanoGraf ou de la tendance vers les cellules cylindriques grand format 4680 dirigée par Tesla et Panasonic, la mise à l'échelle de la production de masse reste un obstacle majeur. NanoGraf prévoit une capacité initiale suffisante pour 35 à 50 tonnes de ses matériaux d'anode. Mais il lui faudrait 1 000 tonnes par an pour percer l'espace automobile, avec son appétit désormais sans fond pour les batteries, à un coût compétitif par rapport à ce que les constructeurs automobiles paient actuellement pour les cellules en provenance de Chine, de Corée du Sud ou d'ailleurs.

"C'est tellement impitoyable dans cet espace, et il y a une échelle que vous devez atteindre", dit Hund.

Un souhait est exaucé : personne n'attend une solution miracle dans le domaine de la technologie, y compris des batteries à semi-conducteurs qui, selon de nombreux experts, ne seront pas prêtes pour les automobiles avant 2030 ou plus tard. Au lieu de cela, les constructeurs automobiles et les fabricants de batteries sont à bord avec de multiples solutions, y compris la montée en flèche des cellules LFP dans les Teslas, Ford et autres modèles.

"Il y a une pénurie de tous ces matériaux, pas assez de nickel, de cobalt ou de manganèse, donc les entreprises ciblant différents consommateurs avec différentes solutions sont vraiment utiles."

Les pays occidentaux ont du mal à adopter une vision holistique de tout ce qui est nécessaire, en particulier lorsque les solutions en place en provenance de Chine sont disponibles. Il ne s'agit pas seulement des matières premières, des anodes ou des cathodes, mais des cellules, des modules, de l'électrolyte et des séparateurs.

"Vous avez besoin d'entreprises qui délocalisent tous ces composants pour avoir une chaîne d'approvisionnement américaine solide", dit-il. "Nous avons besoin de tout le monde en amont et en aval de nous, que ce soit le graphite, l'électrolyte ou le séparateur. Tout le monde n'est qu'une pièce du puzzle."

Hund affirme que des batteries plus sûres devraient également figurer sur la liste de souhaits de l'industrie, car les incendies très médiatisés de Teslas et d'autres modèles menacent de salir la réputation des véhicules électriques ou de garder les consommateurs sceptiques sur la clôture.

"Nous ne pouvons pas avoir des batteries qui se déchargent d'elles-mêmes au rythme actuel", dit-il, en particulier avec les constructeurs automobiles qui se préparent dans le monde entier pour leur plus grande invasion de véhicules électriques à ce jour.

"Il est très important d'anticiper cela maintenant, plutôt que de pousser des millions de voitures sur la route et de s'occuper de la sécurité plus tard."

Mise à jour du 14 mars 2023 : Cette histoire a été corrigée pour refléter que le modèle Air Touring de Lucid porte une batterie de 92 kWh. (Une version précédente de cette histoire indiquait que la capacité de la batterie était de 112 kWh.)