Par Pierre Allemand.

On ne compte plus les annonces triomphales proclamant que la nouvelle batterie XZZ Plus (ou autre) va enfin résoudre le problème de la capacité et de la recharge rapide qui va rendre la voiture électrique aussi performante que le véhicule thermique classique avec un temps de recharge de moins de 5 minutes et une capacité kilométrique égale ou supérieure aux 800 km d’autonomie de la plupart des véhicules diesel d’aujourd’hui.

Et nos journalistes spécialistes de la question, voyant que les voitures électriques qui demandaient 24 heures de charge au début de l’époque moderne, ont vu leur temps de charge possible passer rapidement à 12 heures, puis 6 heures, et sembler se réduire rapidement au fil du temps, affirment, sûrs d’eux : les 5 minutes sont pour bientôt !

Eh bien non, répond le physicien. Il existe une barrière, invisible mais bien présente.

La recherche sur les batteries

La recherche tous azimuts sur les batteries est très probablement le sujet qui a déjà mobilisé le plus de ressources de recherche dans le monde depuis plusieurs dizaines d’années. Et cela sans résultat vraiment probant : le saut technologique déterminant n’a jamais eu lieu (on pourrait s’étonner de cet acharnement, mais cela sort du sujet d’aujourd’hui).

On dit aussi que les nouvelles batteries sont le projet dont la période initiale de développement a duré le plus longtemps (150 ans ?). La raison en étant que la physique s’oppose obstinément à la découverte de batteries électriques douées de performances comparables à celles d’un modeste carburant issu de fossile.

Le défi est simple à énoncer, mais difficile à atteindre.  Il s’agit de créer une batterie possédant les caractéristiques suivantes :

1. Capable de stocker autant d’énergie que celle contenue dans le réservoir d’un véhicule diesel classique, soit 60 litres de fuel, ou 48 kg.
2. Rechargeable en moins de 5 minutes (temps d’un plein moyen).
3. Ces deux premières performances ne diminuant pas pendant toute la durée de vie du véhicule.
4. Restant entière (solidité) pendant toute la durée de vie du véhicule.

Malgré la formidable masse des recherches, les batteries actuelles (2020) sont encore éloignées de ces performances. Ajoutons qui plus est que la physique limite clairement les possibilités d’innovation dans ce domaine.

Le problème essentiel, jamais d’ailleurs évoqué clairement par les constructeurs, vient de la caractéristique numéro 2. Pour le comprendre, il faut examiner ce qui se passe dans le tuyau d’une pompe lorsqu’on fait le plein de carburant.

Je veux parler du débit énergétique, c’est-à-dire de la quantité d’énergie qui doit transiter, pendant le temps du plein ou de la charge, soit dans le tuyau, sous forme de carburant, soit dans le câble de recharge sous forme d’électricité.

Pour satisfaire à la condition numéro 2, il faut pouvoir faire passer dans le câble de recharge du véhicule électrique, une quantité d’énergie équivalente à celle qui transite par le tuyau, et c’est là que le bât blesse.

Un des objectifs est impossible à atteindre

Voici pourquoi :

Le carburant diesel classique contient une énergie libérable par combustion de 44 mégajoules soit 12,2 kWh par kilo ( référence ).

Le plein (60 litres, soit 48 kilos) d’un réservoir de véhicule diesel contient donc une énergie libérable totale de :

12,2 x 48 = 585,6 kWh

Notons que la capacité ¹ des batteries équipant les voitures électriques actuelles est d’environ 50 kWh, soit de l’ordre de 10 fois moins que la valeur à atteindre ci-dessus et que la Tesla modèle 3 pourrait être équipée d’une batterie de 100 kWh, soit de l’ordre de 5 fois moins que cette valeur.

Cependant, il faut aussi tenir compte du rendement des opérations. D’après Wikipédia, le rendement global d’un véhicule thermique sur autoroute serait seulement de 20 % du carburant aux roues. L’énergie réellement utilisable à partir du plein est donc seulement de :

585,6 x 0,2 =117,1 kWh

Le rendement d’un véhicule électrique sur autoroute, toujours selon Wikipédia, est nettement meilleur : il serait de 74 % de la batterie aux roues, rendement qu’il faut encore multiplier par le rendement de la recharge de la batterie qui serait de 85 % .

Pour une comparaison équitable avec un véhicule électrique, il faut donc diviser les 117,1 kWh ci-dessus par le produit des rendement VE (moteur et recharge), et l’énergie devient :

117,1 / (0,74 x 0,85) = 186,2 kWh

L’énergie calculée ci-dessus doit être transférée par la pompe dans le réservoir en 5 minutes .  La pseudo -puissance ² correspondant au transport dans ce temps de la même quantité d’énergie dans une hypothétique batterie à rechargement rapide (5 minutes, soit 1/12 ^ème d’heure) sera donc de 186,2 x 12 = 2 234 kilowatts, soit environ 2,2 MW ³

Cette valeur est plus proche de la puissance d’un transformateur de moyenne puissance alimentant plusieurs centaines de foyers, que de celle d’une installation domestique (environ 12 kW pour un grand logement).

Notons que comme il s’agit de transférer une quantité d’énergie électrique d’un générateur à une batterie, et cela dans un temps donné, le résultat de la division de la quantité d’énergie par le temps correspond bien, dans ce cas, à la puissance électrique du générateur de recharge .

C’est une quantité d’énergie électrique importante qui doit être transférée dans un temps relativement court . Pour fixer les idées, sous une tension de 500 volts continus ⁴ , le câble de liaison entre la station et la batterie devrait supporter une intensité de 4400 ampères, ce qui apparait assez irréaliste.

En effet, même en admettant que la batterie soit modifiée pour pouvoir recevoir une charge sous 500 volts continus et 4400 ampères et que l’on puisse installer une borne de recharge fournissant ces caractéristiques, la puissance demandée (plus de 2 mégawatts) est telle que cette borne ne pourrait être installée que dans certains sites précis et peu nombreux et qu’il ne serait pas question d’installer deux bornes au même endroit, ce qui correspondrait à une puissance de 4,4 MW.

Le câble capable de supporter les 4400 ampères demandés devrait, d’après les données de l’abaque p 14 ( référence ) être une barre de cuivre de 225 x 20 mm pour pouvoir supporter l’intensité avec un échauffement limité à 30°C au-dessus de la température ambiante. Ce genre de dispositif poserait des problèmes quasi insolubles quant à la connexion proprement dite (qualité des contacts) ainsi qu’au positionnement précis du véhicule par rapport à la barre d’alimentation.

Reconnaissons que ces contraintes sont telles qu’elles éliminent à la fois l’existence possible de stations de recharge régulièrement réparties le long des routes, mais également celle d’une configuration des batteries et des systèmes de liaison capables de supporter ces contraintes.

Batteries : les solutions envisageables

Remplacer le cuivre par de l’argent

L’argent étant le plus conducteur de tous les métaux, on peut espérer diminuer la contrainte dimension du conducteur en remplaçant le cuivre par de l’argent. Hélas, les différences de résistivité entre les deux métaux sont faibles (cuivre : 1,72 µohm.centimètre, argent : 1,59 µΩ.cm. (référence : CRC Handbook of Chemistry and Physics 46th edition).

Ce remplacement peut modifier au mieux de quelques pourcents les dimensions des conducteurs, sans amélioration fondamentale.

Utiliser la supraconductivité

Il est possible de transporter un courant de 4400 ampères dans un matériau supraconducteur maintenu à une température inférieure à sa température critique par une circulation d’azote liquide = -195 °C. Comme la résistance d’un tel conducteur est nulle, ses dimensions peuvent être telles que le conducteur soit souple.

L’inconvénient majeur du système est l’obligation de maintenir le conducteur à sa température de fonctionnement, ce qui impose une lourde station de réfrigération à très basse température.

De plus, cette solution ne peut pas être étendue facilement aux conducteurs internes du véhicule, ce qui restreint l’avantage de la supraconductivité.

Se contenter d’approcher, sans les atteindre, les objectifs critiques

• La charge totale de la batterie est beaucoup plus difficile a atteindre qu’une charge partielle à 75% ou même 50 %. En effet, dans ces cas, la valeur de l’énergie à transporter est multipliée par 0,75 ou 0,50, ce qui permet de réduire l’intensité dans les mêmes proportions : on passe à 3300 ampères (75 %) ou 2200 ampères (50 %).
• On peut se contenter de 10 minutes de temps de recharge, au lieu de cinq. L’intensité passe alors à 1650 A pour 75 % de charge et 1100 A pour 50 % de charge.
• On peut accepter une capacité de la batterie divisée par deux (292,8 au lieu de 585,6 kWh, ce qui correspond encore à trois fois la capacité de la batterie de la Tesla 3. On arrive alors à 550 ampères, valeur qui devient réaliste avec les moyens actuels.
• Cette valeur peut encore être divisée par deux pour arriver finalement à 275 ampères, si on accepte de monter la tension de recharge à 1000 volts.

Il est probable que c’est vers cette troisième solution que les constructeurs vont se tourner, en oubliant les objectifs initiaux et en acceptant une autonomie réelle réduite (300 ou 400 km ?) et un temps de recharge de 10 minutes qui devient réaliste si le nombre des stations de recharge est important et qu’on les trouve partout, ce qui est rendu possible par l’abaissement des contraintes.

Conclusion

Ces petits calculs de coin de table montrent que les batteries des voitures électriques sont assez loin des performances d’un simple réservoir de carburant diesel.

Par ailleurs, il faut se résigner au fait qu’elles ne pourront tout simplement pas les atteindre, non pas pour des raisons liées aux batteries elles-mêmes, mais pour des raisons de puissance de distribution. Il faudra réduire nos ambitions. Et le véhicule électrique pour tous n’est probablement pas pour demain, ni même pour après-demain.

Article publié initialement le 14 août 2020.

Librement inspiré par ce document (25 pages) :

« Le lithium (Li) : aspects géologiques, économiques et industriels »

Depuis le début des années 2010, le lithium, un métal blanc et léger jusque-là peu connu attise les convoitises. Sa notoriété nouvellement acquise provient du développement sans précédent des batteries, lié à la transition énergétique et à la mobilité « bas carbone » .

La France pourrait devenir le plus grand producteur de lithium en Europe en 2027.

Pourquoi cette ruée vers ce nouvel « or blanc » ?

Les voitures deviennent électriques, les bicyclettes et les trottinettes suivent.

En Europe, certains gouvernements veulent même reléguer les véhicules thermiques au rang de lointain souvenir pour rouler « vert », c’est-à-dire électrique dans un futur proche ( entre 8 et 15 ans ).

La Norvège s’est engagée à bannir les ventes de véhicules à moteur à combustion interne dès 2025 l’Irlande, les Pays-Bas et la Slovénie en 2030, l’Écosse en 2032, et l’Union européenne en 2035 .

Or, toute cette effervescence autour du transport du futur se fonde sur le stockage de l’électricité dans des batteries dont le lithium est aujourd’hui, et pour longtemps encore, l’un des principaux composants. Sans lui, pas de batterie ni de transition vers un parc automobile « bas carbone » . Des technologies alternatives (au sodium, à l’air…) existent, mais elles ne permettent pas des performances équivalentes à la batterie lithium – et ce probablement pour de nombreuses années encore.

D’où cet engouement pour cet « or blanc » dont les prix s’envolent ces derniers mois ( +1000 % en deux ans ) alors que jusqu’à récemment ses applications industrielles intéressaient peu de monde et restaient invisibles pour le grand public.

Ainsi, le carbonate de lithium est par exemple utilisé dans l’industrie du verre (baisse de la température de fusion et amélioration de la résistance physique), dans les céramiques et le raffinage de l’aluminium (abaissement du point de fusion).

L’hydroxyde de lithium est utilisé dans les lubrifiants ou dans les colorants. Les batteries utilisent les deux formes, carbonate et hydroxyde de lithium.

Le lithium métal est utilisé en pharmacie et dans le nucléaire militaire avec la bombe H, ou civil avec le projet de réacteur nucléaire par fusion ITER .

Or aujourd’hui, les batteries occupent une place de plus en plus importante dans le mix de la demande mondiale.

Source – © 2018 D’après données SQM

Répartition de la demande en lithium dans les applications industrielles en 2017

Origine et abondance

Avec l’hélium et l’hydrogène, le lithium fait partie des trois seuls éléments engendrés par le Big Bang à la naissance de l’Univers, mais il n’est apparu qu’à l’état de trace (10−10 des noyaux formés).

Il n’est pas non plus synthétisé dans les étoiles où, au contraire, il est détruit par les réactions de fusion nucléaire qui s’y produisent.

La majorité du lithium de l’Univers (sauf celui issu du Big Bang) est obtenu lorsque des rayons cosmiques cassent des noyaux de carbone, d’azote, d’oxygène en fragments plus petits.

Ces mécanismes particuliers de formation font que le lithium est un élément beaucoup plus rare dans l’Univers que l’hydrogène et les autres métaux alcalins légers (sodium et potassium).

Le lithium tire son nom du grec lithos , la pierre, car il a été découvert en 1817 dans des minéraux.

Sa haute réactivité avec l’oxygène et l’eau l’empêche d’être présent seul dans la nature. Il est toujours sous forme de sels ou d’oxydes dans des minéraux.

La croûte terrestre en contient environ 20 parties par million (ppm), les océans environ 17 ppm. Des accumulations naturelles en Amérique du Sud en contiennent jusqu’à 0,16 % (1600 ppm, soit 1,6 kg/tonne), et certaines en Australie jusqu’à 4 % (40 000 ppm, soit 40 kg/tonne).

Le lithium métallique ne peut être stocké que dans l’huile (dans laquelle il flotte) et sous atmosphère protectrice, car il est trop réactif pour être stocké dans l’eau ou l’air.

Réserves et ressources

La géologie évoque généralement des « ressources », tandis que l’industrie minière s’intéresse plus particulièrement aux « réserves ». Ces deux notions distinctes méritent d’être éclaircies pour éviter tout malentendu :

1. Les ressources désignent l’ensemble des volumes d’une matière première contenue dans le sous-sol terrestre. Les « ressources ultimes » désignent la quantité théorique d’une matière contenue dans un volume étudié.
2. Les réserves tiennent compte surtout des contraintes techniques, économiques, temporelles… Elles désignent les volumes récupérables – d’une matière première, à un instant donné – aux conditions techniques, économiques, environnementales, politiques… ou en passe de l’être.

Ainsi, les réserves ne constituent qu’une partie seulement des ressources (environ un tiers en ce qui concerne le lithium d’après la Deutsche Bank , un quart pour le pétrole d’après les données de l’Agence Internationale de l’Énergie).

Plus le prix auquel est vendue la matière première considérée augmente, plus il est possible d’exploiter des gisements plus faiblement concentrés ou plus profonds… et plus les réserves augmentent. À l’inverse, plus le prix décroît, moins les réserves sont importantes.

Un gisement est quant à lui défini comme une accumulation de matériaux dont l’exploitation fait sens à un moment donné.

Où se trouve le lithium

Les deux principaux types de gisements de lithium se trouvent dans des saumures de lacs salés partiellement ou totalement asséchés en altitude (~2000 à 4000 m) dans la cordillère des Andes ( les salars ), ainsi que dans des pegmatites et certains granites.

Les ressources mondiales de lithium varient beaucoup selon les sources. Elles sont évaluées par la Deutsche Bank en 2017 à 273 millions de tonnes (Mt Li).

Quant aux réserves mondiales de lithium déclarées aujourd’hui, le chiffre « assez partagé » est de 100 MT Li (c’est un ordre d’idée).

Les deux figures suivantes montrent que les ressources de lithium sont concentrées d’abord en Amérique du Sud avec plus de 53 % des ressources mondiales.

Suivent la Chine, avec 30 Mt Li, les États-Unis avec 19 MT Li. L’Australie n’est pas en reste avec 11 Mt Li de ressources. Le reste du monde se partage les 25 % restants.

Mais les réserves présentent une distribution différente.

L’Amérique du Sud possède plus de 59 % des réserves mondiales de lithium (60 Mt Li). La Chine suit toujours, mais les États-Unis et l’Australie sont loin derrière. La Bolivie ne figure pas dans ce classement, étant donné qu’aucune des ressources ne sont économiquement exploitables aux conditions techniques, économiques et politiques actuelles.

Source – © 2019 Adapté de données Deutsche Bank

Répartition géographique des ressources de lithium (total : 273 MT Li)

Source – © 2019 Adapté de données Deutsche Bank

Répartition géographique des réserves de lithium (total : 102 MT Li)

Il y a une mainmise des pays du triangle du lithium (Argentine, Bolivie, Chili) sur les ressources, et donc sur le potentiel de développement de projets miniers visant son exploitation à long terme.

De même, la Chine, qui détient des réserves significatives ainsi qu’un tissu industriel développé de la transformation du lithium en produit fini, participe de la concentration de l’exploitation du lithium.

Or, le contrôle de la production de lithium et de sa transformation pourrait entraîner une forte dépendance de l’Europe (comme pour le pétrole et le gaz) et représenter un risque pour les pays dépourvus d’une telle chaine d’approvisionnement et de ressources suffisantes en lithium.

Les batteries actuelles nécessitent environ 10 kg de lithium par voiture électrique ayant une batterie de 50 kWh de capacité de stockage, soit environ 50 kg de carbonate de lithium.

Un parc mondial d’un milliard de voitures électriques en service nécessitera 10 milliards de kg, soit 10 millions de tonnes, soit 10 % des réserves mondiales actuelles.

Le lithium dans les pegmatites et les granites

La deuxième catégorie de gisement de lithium est constituée principalement de certaines pegmatites et plus rarement de certains granites riches en lithium.

Les projets les plus récents ont été développés dans les salars d’Amérique du Sud pour des raisons économiques. Cette situation est susceptible de changer dans les années à venir, étant donné l’importance grandissante de l’hydroxyde de lithium face au carbonate de lithium dans la fabrication de batteries.

Or, l’hydroxyde de lithium est moins coûteux à produire à partir de « lithium roche ». Et ce dernier est bien réparti sur tous les continents, ce qui est rare dans l’industrie minière, alors que le carbonate de lithium est plus facilement obtenu à partir des saumures d’Amérique du Sud.

Conséquences géopolitiques et économiques directes : le basculement de l’utilisation des carbonates vers l’utilisation de l’hydroxyde entraînera un rééquilibrage des sources de production engageant une  bataille industrielle entre l’Amérique du Sud, l’Australie, la Chine et l’Europe.

Plusieurs gisements sont signalés en France, notamment dans les pegmatites des Monts d’Ambazac et dans le granite d’Échassières.

En Europe (hors France)

Les niveaux de réserves et de ressources en Europe sont loin d’être significatifs sur le plan mondial.

Cependant, le développement de projets miniers de production de lithium sur le sol européen participerait à la localisation de la partie amont de la chaine de transformation de la matière première en produit fini proche des centres de consommation. Consciente des enjeux de dépendance économique liés au développement de la mobilité électrique, l’Europe tente aujourd’hui de développer une filière industrielle intégrée de la batterie.

Deux gisements ont attiré l’attention en Europe (hors France) ces dernières années :

1. Le gisement de Jadar, en Serbie (projet de la multinationale minière Rio Tinto).
2. Au Portugal, la société portugaise Lusorecursos espère aussi pouvoir développer une mine de lithium.

Le lithium en France

Il existe en France des gisements de lithium . Les réserves sont faibles pour le moment, mais les ressources potentielles importantes.

Des filons de pegmatites existent dans l’ouest du Massif Central, ainsi que des granites en Bretagne et dans le Massif Central, des sources minérales (Massif Central, Vosges occidentales) et des eaux de forages géothermiques (Massif Central, Bassin Parisien, Alsace).

Les pegmatites lithinifères du Limousin (Chédeville) associées aux leucogranites de la région d’Ambazac (en Haute Vienne) et un granite de la Creuse (Montebras) ont fourni du lithium depuis la fin du XIX ^e siècle.

Au début du XX ^e siècle, Montebras était même l’une des principales sources de lithium du monde.

Actuellement, le groupe Imerys exploite (pour l’industrie des céramiques) le granite de Montebras. Le granite d’Échassières fournit maintenant du lithium comme sous-produit de l’exploitation du kaolin. Ces produits lithinifères sont destinés à la verrerie. Les ressources importantes seraient de 24 000 tonnes de lithium.

Le granite de Beauvoir contient 0,35 % de lithium. Cette mine devrait permettre de produire 34 000 tonnes d’hydroxyde de lithium par an et d’équiper 700 000 voitures électriques par an, selon Imerys.

Mais au fur et à mesure que le temps avance et que les réserves de lithium sont exploitées, les paramètres économiques évoluent et de nouveaux gisements peuvent être découverts.

Le ratio réserves/production n’est donc pas significatif car les réserves peuvent augmenter avec le temps…

L’exemple du gaz et du pétrole est frappant : l’industrie pétrolière déclare des réserves qui augmentent parfois plus rapidement que la production. Ainsi, le ratio réserves/production annuelle est d’environ 50 ans (figure ci-dessous).

Certes, l’Agence Internationale de l’Énergie déclare que le pic pétrolier pourrait arriver en 2025 et que le monde devrait s’y préparer. Mais pour le lithium, de nouveaux gisements se cachent peut-être sous nos pieds !

Source – © 2018 D’après BP Statistical Review

Ratio [Réserves / Production] pour le pétrole, au niveau mondial sur la période 1980-2017

Impuretés – Le cas du magnésium

Le magnésium est souvent présent aux côtés du lithium dans les saumures.

Or, il est l’une des impuretés les plus difficiles et les plus coûteuses à séparer du lithium lors du processus de raffinage. Si sa présence est trop élevée dans les saumures, les exploitants anticipent des difficultés de traitement et abandonnent le projet.

En Bolivie, les saumures sont beaucoup plus riches en magnésium qu’en Argentine ou au Chili. C’est l’une des raisons pour lesquelles les projets boliviens n’ont pas suscité le même engouement que leurs congénères chiliens ou argentins.

Le lithium et la fusion nucléaire

Produire de l’énergie par des réactions de fusion nucléaire contrôlée est le but du prototype expérimental ITER. La réaction nucléaire dans le cœur du soleil fusionne quatre noyaux d’hydrogène (4 protons) pour former un noyau d’hélium. La seule réaction actuellement envisageable sur Terre est la fusion deutérium (un proton collé à un neutron) + tritium (un proton collé à deux neutrons) qui forme aussi un noyau d’hélium.

Or, si le deutérium s’extrait de la nature (33 g/m ³ d’eau de mer), ce n’est pas le cas du tritium très disséminé : il faut le fabriquer.

Or, l’une des principales voix de synthèse du tritium utilise du lithium.

Ainsi, il faudrait 300 kg de Lithium par an (qui correspondent à 30 batteries de véhicules électriques) pour produire les 150 kg de tritium nécessaires au fonctionnement annuel d’un réacteur à fusion de 1000 mégawatts. Ce ne sont pas les (éventuelles) centrales à fusion qui épuiseront les réserves de lithium…

Étrange lithium qui n’a pas fini de faire parler de lui : après avoir servi au stockage de l’énergie, le lithium servira indirectement, peut-être un jour lointain , à sa production.

À défaut d’être un nouvel Eldorado, il pourrait bien devenir un nouvel élément naturel stratégique pour l’économie et l’industrie engagées dans la transition énergétique « post hydrocarbure ».