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Pour parler simple, une batterie comprend quatre composants principaux: la cathode (pôle négatif), l’anode (pôle positif), le séparateur et les électrolytes. Des électrolytes liquides se situent entre les deux pôles. Ils font en sorte que les ions permutent constamment entre l’anode et la cathode, selon que la batterie est en cours de recharge ou de décharge. Les batteries d’entraînement telles qu’elles sont utilisées dans les voitures électriques sont également appelées «unité de stockage haute tension», «batterie de traction» ou «batterie de cycle». Elles sont composées de plusieurs batteries individuelles reliées entre elles, lesquelles sont à leur tour constituées de cellules d’accumulateur ou de blocs de cellules reliés en parallèle ou en série. La batterie de traction de la plupart des voitures électriques fournit une tension de 400 V. Cela atteint même les 800 V dans la Porsche Taycan.
Les batteries destinées aux voitures électriques doivent d’une part être légères et petites, et d’autre part, puissantes et à longue durée de vie. C’est la raison pour laquelle ce sont principalement des batteries lithium-ion qui sont utilisées dans les voitures électriques modernes, et rarement des batteries lithium-polymère. Un liquide électrolytique est utilisé dans les batteries lithium-ion, et du gel en plastique polymère dans les batteries lithium-polymère. Contrairement aux autres batteries, elles présentent la densité énergétique la plus élevée. Par kilogramme de poids propre, ces batteries peuvent stocker le plus d’énergie. De plus, elles ont une faible autodécharge lorsque par exemple une voiture électrique n’est pas conduite pendant une certaine période.
La batterie nickel-cadmium est considérée comme la prédécesseure de la batterie lithium-ion. Certes, celle-ci est robuste, supporte les fluctuations de température et recharge plus rapidement. Mais comme elle présente un mauvais bilan écologique, elle n’est plus utilisée pour les voitures. Le cadmium est un métal lourd qui est nocif pour l’environnement. De plus, les batteries nickel-cadmium ne peuvent être rechargées que lorsqu’elles sont à plat, ce qui n’est pas idéal pour les voitures électriques. En outre, l’autodécharge des batteries nickel-cadmium est relativement élevée.
Comme c’est le cas dans toutes les voitures avec moteur à combustion, une petite batterie de 12 V est également montée dans une voiture électrique. Elle aide à démarrer le moteur électrique et fournit le courant requis pour le verrouillage centralisé, l’éclairage intérieur, les instruments et la direction assistée. Dans bon nombre de voitures électriques, les constructeurs utilisent exactement les mêmes batteries au plomb que celles montées dans les modèles à moteur à combustion. Dans les voitures électriques de catégories supérieures, on retrouve de plus en plus les batteries lithium-phosphate de fer au lieu des batteries au plomb.
Aperçu des avantages et des inconvénients de la technologie lithium-ion:
Avantages
+ densité énergétique élevée
+ longue durée de vie
+ faible poids
Inconvénients
– coûts de production élevés
– gestion de batterie fastidieuse
– inflammable
– refroidissement nécessaire
– extraction des matières premières discutable
La mobilité exercera toujours des effets sur l’environnement. Toutefois, il convient de réduire les contraintes pour l’homme et l’environnement et de les maintenir à un niveau le plus faible possible. La production des voitures requiert de l’énergie et des matières premières. Pour les voitures électriques, c’est avant tout la production des batteries qui est au centre des préoccupations car elle requiert, en plus du nickel et du manganèse, également du cobalt et du lithium. Le cobalt, un métal brillant, gris argenté qui se caractérise par sa dureté, sa fermeté et sa résistance, est extrait pour les deux tiers dans la République Démocratique du Congo, parfois dans des conditions inhumaines et par des enfants. En 2020, 95 000 t de cobalt provenaient de la RDC. Arrivait loin derrière la Russie en deuxième position avec 6300 t, puis l’Australie avec 5700 t.
Garantir une extraction durable dans le pays en développement qu’est la République Démocratique du Congo représente un défi à long terme. Le long de la chaîne de création de valeur globale, le groupe Volkswagen participe à des initiatives de durabilité telles que la Responsible Minerals Initiative (RMI) ou la Global Battery Alliance du Forum économique mondial. Des prescriptions et vérifications internes viennent s’inscrire le long de la chaîne de livraison, qui sont simplifiées en raison d’une transparence accrue obtenue grâce à l’acquisition directe des matériaux.
La RMI est en train de concevoir un système de certification pour la fonte du cobalt, lequel devrait permettre d’améliorer les conditions d’extraction et de tracer l’origine de la matière. Le groupe de travail Drive Sustainability développe á cet effet des instruments de surveillance harmonisés et des formations à la durabilité destinées aux fournisseurs.
La réduction substantielle de la part de cobalt dans la batterie lithium-ion revêt également une importance capitale. L’objectif est de réduire la part actuelle de 12 à 14% présente dans la cathode à 5 % à l’horizon 2023/2025. Volkswagen travaille également au développement de cellules de batterie qui renoncent totalement à l’utilisation de cobalt.
Maximilian Fichtner, professeur et expert en technologie de batterie à l’Université d’Ulm et au Karlsruher Institut für Technologie, estime qu’une renonciation complète au cobalt est possible et souhaitable: «Non seulement en raison de la question des droits de l’homme, mais également en raison des réserves limitées». Une alternative satisfaisante existerait déjà: le lithium-phosphate de fer. «Ce matériau est bon marché, il est disponible durablement et il n’est pas toxique», dit-il. Le spinelle de manganèse pourrait également être une option.
Le lithium est extrait par évaporation, dans sa grande majorité des lacs salés d’Amérique du Sud, en particulier du Chili, de l’Argentine et de la Bolivie. La production revêt des aspects problématiques: elle utilise l’eau des nappes phréatiques, ce qui peut contribuer à l’assèchement des paysages environnants. Ce problème touche beaucoup de peuples indigènes. Du point de vue de nombreux experts, il n’est en revanche pas clairement prouvé que la sècheresse a réellement un rapport avec l’extraction du lithium et si oui, quel est son degré d’impact. Une chose est cependant claire: aucune eau potable n’est requise pour l’extraction du lithium. Pour Maximilian Fichtner, aucun remplacement convainquant au lithium ne se distingue jusqu’ici. «Toutefois, je considère que la situation est ici bien moins critique car les réserves mondiales en lithium sont beaucoup plus importantes que celles de cobalt», déclare-t-il. Quant à l’extraction de lithium des lacs salés, il existe des alternatives telles que par exemple l’extraction minière. De plus, tous les fournisseurs de lithium de Volkswagen sont tenus par contrat de respecter des normes environnementales et sociales strictes.
Les batteries à électrolyte solide sont considérées comme l’avenir de la mobilité électrique car elles offrent une autonomie environ deux fois plus importante et une sécurité bien supérieure aux batteries lithium-ion actuelles. Ces super-batteries sont certes également des batteries lithium-ion mais elles fonctionnent sans électrolyte liquide. Elles ne coulent donc pas et ne sont pratiquement pas inflammables. Les coûts financiers requis pour sa protection et la gestion de la température sont ainsi supprimés. Du coup, les batteries à électrolyte solide sont plus légères et moins coûteuses. Autre avantage: elles sont rechargeables plus rapidement que les batteries lithium-ion actuelles: elles ne prennent que la moitié du temps.
Volkswagen prévoit avec son partenaire américain Quantumscape de construire sa propre usine de batteries à électrolyte solide à Salzgitter.
Avantages et inconvénients de la batterie à électrolyte solide:
+ sécurité
+ autonomie
+ pas de liquide, n’est pas inflammable
+ pas de décharge de la batterie
– faible intensité de courant
– du lithium est encore utilisé, l’aspect environnemental néfaste reste posé
Sur mandat du think tank allemand «Agora Verkehrswende», l’Institut für Energie- und Umweltforschung de Heidelberg a réalisé en 2019 l’étude «Bilan climatique des moteurs et carburants à base d’électricité». Cette étude compara les batteries, les piles à combustible et les e-carburants. Les principaux résultats de cette étude sont les suivants:
Le groupe Volkswagen offre sur la batterie haute tension d’un véhicule électrique une garantie de huit ans ou de 160 000 km. La plupart des batteries durent plusieurs années de plus que la vie utile d’une voiture. Cependant, si un défaut survient, les composants affectés peuvent être diagnostiqués et remplacés individuellement. Il n’est donc pas nécessaire de remplacer le bloc batterie complet. Les travaux réalisés sur les batteries haute tension sont effectués dans des centres de compétence spécialement formés, par un expert haute tension (EHT) doté d’un équipement de protection spécial.
La prolongation de la durée de vie d’une batterie joue un rôle central dans l’écoresponsabilité de la mobilité électrique. Les batteries doivent être tout d’abord réparées et préparées ou transmises pour une réutilisation complète dans des projets de seconde vie. Ainsi, il existe au sein du groupe Volkswagen une multitude de projets de seconde vie pour le stockage de grande capacité. Les batteries de véhicules usagées y sont utilisées en réseau en tant que batterie géante, aussi bien dans les usines Volkswagen que dans des projets de coopération avec des sociétés d’approvisionnement et des villes. La durée de vie d’une batterie peut être prolongée grâce à de telles utilisations ultérieures.
Outre la réutilisation en dehors du véhicule, il existe également la refabrication: les batteries usagées sont remises en état en échangeant certains composants afin d’être réutilisées dans un véhicule électrique. Une autre possibilité consiste à réutiliser la batterie dans des systèmes de stockage stationnaires après un démontage partiel des modules.
Mais que faire des batteries lorsqu’elles arrivent en fin de vie? Le département «Recherche et développement» du groupe Volkswagen a trouvé une solution de recyclage en collaboration avec Volkswagen Group Components, et l’a rendue propre à la production de série. Il s’agit d’un procédé innovant et durable qui permet de recycler les batteries. Ce procédé est pour la première fois utilisé dans une installation pilote située sur le site allemand de Salzgitter. L’objectif est de recycler plus de 90% de la batterie et de rapatrier dans le circuit des matières précieuses telles que le cobalt, le nickel, le manganèse ou le lithium. Une solution à l’échelle nationale est envisageable en Suisse.
Arrivent dans le circuit de recyclage uniquement les batteries qui ne peuvent réellement plus être utilisées d’une autre manière. En effet, l’état des batteries est au préalable examiné pour éventuellement donner à ces dernières une seconde vie dans des accumulateurs d’énergie mobiles tels que des bornes de recharge rapide flexibles ou des robots chargeurs. Leur durée d’utilisation peut être ainsi sensiblement prolongée.
L’Institut Paul Scherrer a développé l’outil Internet «Carculator». Celui-ci permet de comparer l’écobilan des voitures de tourisme. Le programme détermine l’écobilan des véhicules équipés de types de propulsion différents et les représente dans des graphiques comparatifs. Tout le cycle de vie des voitures de tourisme est pris en compte, dont la fabrication des véhicules et les émissions importantes pour l’environnement émises lors de la conduite. Toutefois, les mesures et compensations de CO2 éventuelles des constructeurs lors de la production – comme par exemple les efforts de Volkswagen AG pour fournir l’ID.3 neutre en CO2 au client, ne sont pas prises en compte.