Une autonomie de 300 km ciblée à l’horizon 2015 et des coûts réduits de moitié

C'est à Grenoble que le laboratoire d'innovation pour les technologies et les énergies nouvelles et les nanomatériaux (Liten) développe les futures batteries des véhicules électriques.

Les recherches effectuées sur les batteries de véhicules électriques par le Liten concernent 150 chercheurs, techniciens et ingénieurs, qui travaillent à la synthèse des matériaux, à la conception et à la production des cellules des batteries. Ces développements sur toute la filière du véhicule électrique se font en appui des constructeurs automobiles.

La batterie d'un véhicule électrique est un assemblage d'accumulateurs.
L'innovation se situe essentiellement dans les matériaux choisis (la formulation chimique des poudres qui tapissent les électrodes) et dans la gestion de la batterie.

Les batteries au plomb, qui offraient dans les années 1975 une autonomie de 30 kilomètres ont été remplacées dans les années 1990 par des batteries au nickel. En 1990, elles disposaient d'une autonomie de 45 km (batteries nickel cadmium) portée en 1995 à 70 km avec les batteries nickel-métal hydrure (NiMH). C'est ce type de batterie NiMH qui alimente en énergie les véhicules hybrides de Honda et de Toyota.

Les premiers accumulateurs lithium-ion ont été développés par des industriels japonais spécialisés dans la fabrication d'équipements portables au début des années 1990. Largement utilisés sur les appareils électroniques portables, ils offrent désormais les meilleures performances de tous les systèmes de stockage d'énergie rechargeables. La filière lithium-ion s'est élargie aux secteurs des transports.

Les performances des véhicules électriques équipés de batteries lithium-ion sont nettement supérieures à celles des batteries au nickel. Un assemblage de 200 cellules lithium-ion de 200 kg peut développer 20 kWh avec une autonomie d'environ 150 km sur autoroute à vitesse constante. Elles ne présentent par ailleurs aucun effet mémoire.

Les premières batteries lithium-ion ont fait leur apparition sur les Mercedes Classe S et BMW Série 7 hybrides en 2009.

Elles équipent également les nouvelles voitures électriques, Citroën C-Zéro, Mitsubishi i-MiEV, Nissan Leaf et Peugeot iOn.

Alors que les batteries lithium-ion des véhicules électriques lancés en 2010 offrent une autonomie d'environ 150 km à des prix particulièrement élevés (de l'ordre de 35 000 euros pour une voiture citadine électrique dont 15 000 euros pour la batterie), le CEA entend réduire de moitié le coût des batteries et en doubler l'autonomie à 300 km pour 100 kg de batteries.

Pour y parvenir, les chercheurs du Liten privilégient les accumulateurs lithium-ion avec électrode positive au phosphate de fer, composant chimique plus stable et beaucoup moins cher que le cobalt. Pour remédier à la faible conductivité électronique de ce composant chimique, le Liten a développé une architecture spécifique bipolaire qui vise à augmenter la tension aux bornes de l'accumulateur.

Afin de permettre une industrialisation des recherches effectuées, le CEA s'est doté d'une plateforme de fabrication de batteries pour véhicules électriques "STEEVE" qui couvre toute la chaine de fabrication des batteries, depuis le broyage des poudres et la mise au point chimique des composants jusqu'à développement des packs batteries.

Plusieurs industriels ont marqué leur intérêt pour cette plate-forme et pourraient devenir utilisateurs de la plate-forme STEEVE. C'est notamment le cas d'Alstom, de Michelin, de Renault et de Siemens. Une lettre d'intention entre le CEA et Renault-Nissan a d'ailleurs été signée en novembre 2009 pour développer les futures batteries des véhicules électriques Renault-Nissan.

Découvrez en images les recherches du CEA sur les batteries de véhicules électriques:

Photos 1 : Fabrication d'accumulateurs lithium : étape de Bobinage en format cylindrique ou prismatique.
Crédit : PF.Grosjean/CEA

Photo 2 : Fabrication d'accumulateurs lithium : étape de refente des électrodes et séparateurs
Crédit : PF.Grosjean/CEA

Photo 3 : Fabrication d'accumulateurs lithium : étape de calandrage des électrodes.
Crédit : PF.Grosjean/CEA

Photo 4 : Composition des encres pour fabrication de batteries lithium.
Crédit : PF.Grosjean/CEA

Photo 5 : Mise en service d'une salle anhydre pour la fabrication de batteries lithium.

Les machines sont réparties dans 3 salles :

Point de rosée -20° dégradé
-Fabrication des encres (solvant poudre active) sous hotte ventilée, par lot d'1/2l.
-Enduction et séchage de bandes

Point de rosée -20° (soit 10 fois moins humide que l'extérieur)
-Calendrage
-Découpe
-Bobinage
-BàGants pour des tests ponctuels

Point de rosée -40° (soit 100 fois moins humide que l'extérieur)
-Activation des batteries par introduction de l'électrolyte en boîte-à-gants
-Mise sous vide et soudure des boitiers souples ou
-Soudure laser pour les boitiers rigides
Crédit : PF.Grosjean/CEA

Photo 6 : Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (dépôt chimique sous vide de composés organo-métalliques). Ce laboratoire est équipé d'un bâti de croissance MOCVD qui permet de réaliser des nanofils, notamment pour des applications batteries.
Crédit : P.Avavian/CEA

Photo 7 : Instrumentation d'une voiture électrique pour mesure des performances énergétiques.
Crédit : P.Avavian/CEA

Photo 8 : Instrumentation d'une voiture électrique Citroën AX pour mesure des performances énergétiques. Montage d'un pack de batteries lithium.
Crédit : P.Avavian/CEA

Photo 9 : Assemblage de pack de batteries lithium pour véhicule.
Crédit : P.Avavian/CEA

Photo 10 : Laboratoire de test, de vieillissement accéléré et de caractérisation de batteries au plomb, à l'Institut National de l'Energie Solaire (INES), à Chambéry.
Crédit : C.Dupont/CEA

Photo 11 : Instrumentation d'une Renault Kangoo électrique.
Crédit : CEA