Le marché mondial des batteries Li-ion pour véhicules électriques devrait atteindre plus de 380 milliards de dollars US d'ici 2034, tiré principalement par la demande de voitures électriques à batterie, mais avec une croissance rapide dans d'autres secteurs, y compris les fourgonnettes électriques, les camions, les bus, les deux-roues et les véhicules tout-terrain. Les objectifs en matière d'électrification et d'émissions, l'amélioration des performances des batteries et un coût total de possession de plus en plus attractif pour certains segments de véhicules sont à l'origine de cette croissance de la demande de véhicules électriques à batterie). Néanmoins, l'amélioration des performances et du coût des batteries est recherchée et, bien que les développements puissent devenir de plus en plus progressifs, il existe plusieurs voies pour l'amélioration continue de la technologie des batteries Li-ion.

Cellules

À court terme, les cellules de batteries pour véhicules électriques devraient continuer à suivre les tendances actuelles. Par exemple, la teneur moyenne en nickel des produits chimiques NMC et NCA continue d'augmenter afin d'accroître la densité énergétique et de réduire la teneur en cobalt. La tendance la plus importante est peut-être l'évolution générale vers le LFP, une option moins chère et plus sûre que le NMC et le NCA (bien qu'elle ne soit pas intrinsèquement sûre). Bien que la densité énergétique du LFP puisse être inférieure de 30 à 40 % à celle du NMC ou du NCA, les avantages de son coût inférieur sont devenus incontournables au cours des dernières années. Ainsi, la part de la fibre optique légère dans les voitures électriques a augmenté, bien qu'il faille noter que la grande majorité de cette évolution est due à la réadoption de la fibre optique légère en Chine. Les NMC et les NCA sont toujours privilégiés en Europe et en Amérique du Nord, bien que les LFP aient commencé à pénétrer le marché. Les produits chimiques NMC restent également privilégiés dans les packs clés en main pour d'autres segments de véhicules. Néanmoins, les pressions exercées sur les coûts et l'approvisionnement en matériaux, ainsi que les améliorations technologiques, signifient que le LFP devrait accroître sa part du marché des véhicules électriques.

D'autres développements transformateurs se profilent également à l'horizon. Les annonces de développement de batteries à l'état solide se poursuivent, tandis que les premières commercialisations ont déjà lieu, par exemple, grâce aux batteries à l'état solide de type polymère de Blue Solutions. L'utilisation de matériaux d'anode en silicium devrait augmenter avec le développement de solutions d'anode en silicium plus avancées et de produits commercialement prêts, promettant des améliorations de la densité énergétique et de la charge rapide. De nouvelles chimies cathodiques continuent également d'être explorées. Par exemple, le phosphate de lithium manganèse fer (LMFP) constitue une alternative intéressante, susceptible d'offrir bon nombre des avantages du LFP tout en augmentant la densité énergétique pour la rapprocher de celle des batteries de type NMC, bien que le déploiement commercial soit encore limité.

Conception de l'emballage

Compte tenu de l'adoption croissante de la technologie LFP dans les véhicules électriques, la conception des batteries cellule-emballage revêt une importance accrue. Ces conceptions permettent d'améliorer l'efficacité de l'emballage, augmentant ainsi la densité énergétique et contribuant à réduire l'un des principaux inconvénients de l'utilisation des batteries LFP par rapport aux batteries de type NMC ou NCA. CATL et BYD ont mis en œuvre des conceptions CTP aux côtés de Tesla, Stellantis et de divers autres fabricants. Pour améliorer la densité énergétique gravimétrique, les boîtiers de batterie en polymère léger sont proposés comme alternative aux boîtiers en acier et en aluminium existants.

Les conceptions à double chimie sont également explorées par des entreprises telles que CATL, NIO et Our Next Energy. Our Next Energy présente l'exemple le plus extrême avec des plans visant à coupler une chimie à haute densité énergétique mais à faible durée de vie pour en faire un LFP à autonomie étendue. En fin de compte, les combinaisons de différentes chimies Li-ion, ou même la combinaison de Li-ion et de Na-ion, pourraient contribuer à optimiser les compromis inévitables entre la puissance, la densité énergétique, la durée de vie et les performances à basse température.

Gestion Thermique

La gestion thermique et la protection contre les incendies sont devenues des considérations essentielles pour les batteries des véhicules électriques, compte tenu des problèmes de sécurité, des incendies très médiatisés et des rappels de batteries. Alors que les premiers modèles de véhicules électriques utilisaient un refroidissement passif par air, le refroidissement par liquide est devenu plus important dans divers segments de véhicules au cours des dernières années. Selon les données d'IDTechEx, les modèles à refroidissement liquide actif représentaient 90 % du marché des voitures électriques, contre un peu plus de 50 % en 2015. Cette tendance ne s'applique pas seulement aux voitures électriques. La plupart des batteries clés en main destinées aux véhicules utilitaires sont également proposées avec un système de refroidissement liquide. À mesure que les progrès de la technologie des cellules deviennent de plus en plus incrémentiels, les développements dans des aspects tels que la gestion thermique deviennent de plus en plus importants non seulement pour maintenir un fonctionnement sûr, mais aussi pour maximiser les performances disponibles des batteries Li-ion.

Systèmes de Gestion des Batteries

Le système de gestion de la batterie (BMS) joue un rôle essentiel dans le fonctionnement sûr et fiable de toute batterie Li-ion. Si la fonctionnalité principale d'un système de gestion de batterie est relativement bien définie, elle offre également la possibilité d'élargir l'enveloppe de performance des batteries Li-ion. Des améliorations au niveau de la sécurité, de la durée de vie, de la charge rapide et même de la densité énergétique sont possibles grâce aux développements du système de gestion de la batterie et, surtout, avec un besoin minimal de sacrifier l'un pour l'autre.

Le développement et la mise en œuvre d'une estimation plus précise de l'état de la batterie et des cellules (par exemple, état de charge, état de santé, état de puissance) sont essentiels pour permettre l'amélioration des performances, ce qui permet d'extraire en toute sécurité les performances maximales d'une batterie. Au-delà des développements de logiciels et d'algorithmes de BMS, des solutions de BMS sans fil sont également en cours de commercialisation. En mettant en œuvre des solutions sans fil, une grande partie du câblage peut être supprimée, ce qui permet de réduire le poids et d'éliminer les modes de défaillance potentiels. Bien que le déploiement soit relativement lent, avec l'annonce initiale par General Motors de son BMS sans fil en 2020, les fabricants de semi-conducteurs pour BMS proposent désormais des solutions pour les conceptions de BMS sans fil.

Source : IDTechEx

Auteur : Dr Alex Holland, Analyste Technologique Principal chez IDTechEx