Quelle est la prochaine étape pour les batteries en 2023

Attendez-vous à de nouvelles chimies de batterie pour les véhicules électriques et à une augmentation de la fabrication grâce au financement gouvernemental cette année.

Chaque année, le monde fonctionne de plus en plus avec des batteries. Les véhicules électriques ont dépassé 10 % des ventes mondiales de véhicules en 2022, et ils sont en passe d'atteindre 30 % d'ici la fin de cette décennie.

Les politiques à travers le monde ne feront qu'accélérer cette croissance : la récente législation climatique aux États-Unis injecte des milliards dans la fabrication de batteries et les incitations à l'achat de véhicules électriques. L'Union européenne et plusieurs États américains ont interdit les véhicules à essence à partir de 2035.

La transition nécessitera beaucoup de batteries, et de meilleures et moins chères.

Aujourd'hui, la plupart des véhicules électriques sont alimentés par des batteries lithium-ion, une technologie vieille de plusieurs décennies également utilisée dans les ordinateurs portables et les téléphones portables. Toutes ces années de développement ont contribué à faire baisser les prix et à améliorer les performances, de sorte que les véhicules électriques d'aujourd'hui se rapprochent du prix des voitures à essence et peuvent parcourir des centaines de kilomètres entre les charges. Les batteries lithium-ion trouvent également de nouvelles applications, notamment le stockage d'électricité sur le réseau qui peut aider à équilibrer les sources d'énergie renouvelables intermittentes comme l'éolien et le solaire.

Mais il y a encore beaucoup de place à l'amélioration. Les laboratoires universitaires et les entreprises recherchent des moyens d'améliorer la technologie, en augmentant la capacité, en accélérant le temps de charge et en réduisant les coûts. L'objectif est de disposer de batteries encore moins chères qui fourniront un stockage bon marché pour le réseau et permettront aux véhicules électriques de parcourir de plus grandes distances avec une charge.

Dans le même temps, les inquiétudes concernant l'approvisionnement en matériaux de batterie clés comme le cobalt et le lithium poussent à rechercher des alternatives à la chimie lithium-ion standard.

Au milieu de la demande croissante de véhicules électriques et d'énergie renouvelable et d'une explosion du développement des batteries, une chose est certaine : les batteries joueront un rôle clé dans la transition vers les énergies renouvelables. Voici à quoi s'attendre en 2023.

Certaines approches radicalement différentes des batteries pour véhicules électriques pourraient progresser en 2023, même si elles prendront probablement plus de temps pour avoir un impact commercial.

Une avancée à surveiller cette année concerne les batteries dites à semi-conducteurs. Les batteries lithium-ion et les produits chimiques associés utilisent un électrolyte liquide qui se charge en navette ; les batteries à l'état solide remplacent ce liquide par de la céramique ou d'autres matériaux solides.

Cet échange ouvre des possibilités qui emballent plus d'énergie dans un espace plus petit, améliorant potentiellement l'autonomie des véhicules électriques. Les batteries à semi-conducteurs pourraient également déplacer la charge plus rapidement, ce qui signifie des temps de charge plus courts. Et comme certains solvants utilisés dans les électrolytes peuvent être inflammables, les partisans des batteries à semi-conducteurs affirment qu'elles améliorent la sécurité en réduisant le risque d'incendie.

Un nouveau type de batterie pourrait enfin rendre les voitures électriques aussi pratiques et bon marché que les voitures à essence.

Les batteries à semi-conducteurs peuvent utiliser une large gamme de chimies, mais un candidat majeur pour la commercialisation utilise le lithium métal. Quantumscape, pour sa part, se concentre sur cette technologie et a levé des centaines de millions de dollars avant de devenir publique en 2020. La société a un accord avec Volkswagen qui pourrait mettre ses batteries dans les voitures d'ici 2025.

Mais réinventer complètement les batteries s'est avéré difficile, et les batteries au lithium-métal ont suscité des inquiétudes quant à la dégradation au fil du temps, ainsi qu'aux défis de fabrication. Quantumscape a annoncé fin décembre avoir livré des échantillons à des partenaires automobiles pour les tester, une étape importante sur la voie de l'intégration de batteries à semi-conducteurs dans les voitures. D'autres lecteurs de batteries à semi-conducteurs, comme Solid Power, travaillent également à construire et à tester leurs batteries. Mais même s'ils pourraient également franchir des étapes importantes cette année, leurs batteries ne seront pas intégrées aux véhicules sur la route en 2023.

Les batteries à semi-conducteurs ne sont pas la seule nouvelle technologie à surveiller. Les batteries sodium-ion s'écartent également fortement des chimies lithium-ion courantes aujourd'hui. Ces batteries ont une conception similaire à celle des batteries lithium-ion, y compris un électrolyte liquide, mais au lieu de compter sur le lithium, elles utilisent le sodium comme ingrédient chimique principal. Le géant chinois des batteries CATL aurait prévu de commencer à les produire en masse en 2023.

Les batteries sodium-ion n'améliorent peut-être pas les performances, mais elles pourraient réduire les coûts car elles reposent sur des matériaux moins chers et plus largement disponibles que les chimies lithium-ion. Mais il n'est pas clair si ces batteries seront en mesure de répondre aux besoins d'autonomie et de temps de charge des véhicules électriques, c'est pourquoi plusieurs entreprises qui recherchent la technologie, comme la société américaine Natron, ciblent des applications moins exigeantes pour démarrer, comme le stockage stationnaire ou les dispositifs de micromobilité. tels que les vélos électriques et les scooters.

Aujourd'hui, le marché des batteries destinées au stockage sur réseau fixe est petit - environ un dixième de la taille du marché des batteries pour véhicules électriques, selon Yayoi Sekine, responsable du stockage de l'énergie à la société de recherche énergétique BloombergNEF. Mais la demande de stockage d'électricité augmente à mesure que de plus en plus d'énergie renouvelable est installée, car les principales sources d'énergie renouvelables comme l'éolien et le solaire sont variables, et les batteries peuvent aider à stocker l'énergie en cas de besoin.

Les batteries lithium-ion ne sont pas idéales pour le stockage stationnaire, même si elles y sont couramment utilisées aujourd'hui. Alors que les batteries pour véhicules électriques deviennent plus petites, plus légères et plus rapides, l'objectif principal du stockage stationnaire est de réduire les coûts. La taille et le poids n'ont pas autant d'importance pour le stockage en grille, ce qui signifie que différentes chimies l'emporteront probablement.

L'une des étoiles montantes du stockage stationnaire est le fer, et deux acteurs pourraient voir des progrès dans l'année à venir. Form Energy développe une batterie fer-air qui utilise un électrolyte à base d'eau et stocke essentiellement l'énergie en utilisant la rouille réversible. La société a récemment annoncé une usine de fabrication de 760 millions de dollars à Weirton, en Virginie-Occidentale, dont la construction devrait commencer en 2023. Une autre société, ESS, construit un type différent de batterie au fer qui utilise une chimie similaire ; il a commencé la fabrication à son siège social à Wilsonville, Oregon.

Les batteries lithium-ion ne cessent de s'améliorer et de devenir moins chères, mais les chercheurs peaufinent encore la technologie pour obtenir de meilleures performances et des coûts réduits.

Une partie de la motivation vient de la volatilité des prix des matériaux de batterie, qui pourrait inciter les entreprises à changer de chimie. "C'est un jeu de coût", dit Sekine.

Les cathodes sont généralement l'une des parties les plus chères d'une batterie, et un type de cathode appelé NMC (nickel manganèse cobalt) est la variété dominante dans les batteries EV aujourd'hui. Mais ces trois éléments, en plus du lithium, sont chers, donc en couper certains ou tous pourrait aider à réduire les coûts.

Cette année pourrait être une année décisive pour une alternative : le phosphate de fer au lithium (LFP), un matériau de cathode à faible coût parfois utilisé pour les batteries lithium-ion.

De nouvelles politiques américaines agressives seront mises à l'épreuve en 2023. Elles pourraient à terme fragmenter l'industrie mondiale des semi-conducteurs.

Les récentes améliorations de la chimie et de la fabrication des LFP ont contribué à améliorer les performances de ces batteries, et les entreprises adoptent la technologie : la part de marché des LFP augmente rapidement, passant d'environ 10 % du marché mondial des véhicules électriques en 2018 à environ 40 % en 2022. Tesla utilise déjà des batteries LFP dans certains véhicules, et des constructeurs automobiles comme Ford et Volkswagen ont annoncé qu'ils prévoyaient de commencer à proposer également certains modèles de véhicules électriques avec la chimie.

Bien que la recherche sur les batteries ait tendance à se concentrer sur la chimie des cathodes, les anodes sont également en ligne pour faire peau neuve.

La plupart des anodes des batteries lithium-ion d'aujourd'hui, quelle que soit la composition de leur cathode, utilisent du graphite pour contenir les ions lithium. Mais des alternatives comme le silicium pourraient aider à augmenter la densité d'énergie et à accélérer la charge.

Les anodes en silicium font l'objet de recherches depuis des années, mais historiquement, elles n'ont pas eu une durée de vie suffisamment longue pour durer dans les produits. Maintenant, cependant, les entreprises commencent à étendre la production des matériaux.

En 2021, la startup Sila a commencé à produire des anodes en silicium pour les batteries d'un appareil de fitness portable. La société a récemment reçu une subvention de 100 millions de dollars du ministère de l'Énergie pour aider à construire une usine de fabrication à Moses Lake, Washington. L'usine servira le partenariat de Sila avec Mercedes-Benz et devrait produire des matériaux pour les batteries EV à partir de 2025.

D'autres startups travaillent à mélanger du silicium et du graphite pour les anodes. OneD Battery Sciences, qui s'est associé à GM, et Sionic Energy pourraient franchir des étapes supplémentaires vers la commercialisation cette année.

La loi sur la réduction de l'inflation, qui a été adoptée fin 2022, réserve près de 370 milliards de dollars de financement pour le climat et l'énergie propre, dont des milliards pour la fabrication de véhicules électriques et de batteries. "Tout le monde a son esprit sur l'IRA", déclare Yet-Ming Chiang, chercheur en matériaux au MIT et fondateur de plusieurs sociétés de batteries.

L'IRA fournira des prêts et des subventions aux fabricants de batteries aux États-Unis, augmentant ainsi la capacité. De plus, les crédits d'impôt pour les véhicules électriques dans la loi incitent les constructeurs automobiles à s'approvisionner en matériaux de batterie aux États-Unis ou auprès de leurs partenaires de libre-échange et à fabriquer des batteries en Amérique du Nord. En raison à la fois du financement de l'IRA et des restrictions du crédit d'impôt pour les véhicules électriques, les constructeurs automobiles continueront d'annoncer de nouvelles capacités de fabrication aux États-Unis et de trouver de nouvelles façons de s'approvisionner en matériaux.

Les matériaux de batterie seront bientôt rares. Des installations de recyclage comme celle de Redwood Materials pourraient aider à combler les lacunes.

Tout cela signifie qu'il y aura de plus en plus de demande pour les ingrédients clés des batteries lithium-ion, notamment le lithium, le cobalt et le nickel. L'un des résultats possibles des incitations de l'IRA est une augmentation de l'intérêt déjà croissant pour le recyclage des batteries. Bien qu'il n'y ait pas suffisamment de véhicules électriques qui sortent de la route de sitôt pour répondre à la demande de certains matériaux cruciaux, le recyclage commence à se réchauffer.

CATL et d'autres entreprises chinoises sont en tête du recyclage des batteries, mais l'industrie pourrait connaître une croissance significative sur d'autres grands marchés des véhicules électriques comme l'Amérique du Nord et l'Europe cette année. Redwood Materials et Li-Cycle, basés au Nevada, dont le siège social est à Toronto, construisent des installations et travaillent à séparer et à purifier les métaux clés des batteries comme le lithium et le nickel pour les réutiliser dans les batteries.

Li-Cycle devrait commencer à mettre en service sa principale installation de recyclage en 2023. Redwood Materials a commencé à produire son premier produit, une feuille de cuivre, à partir de son usine située à l'extérieur de Reno, au Nevada, et a récemment annoncé son intention de construire sa deuxième installation à partir de cette année à Charleston. , Caroline du Sud.

Avec le flot d'argent de l'IRA et d'autres politiques dans le monde qui alimentent la demande de véhicules électriques et de leurs batteries, 2023 sera une année à surveiller.

Cette histoire fait partie de la série What's Next de MIT Technology Review, où nous examinons les industries, les tendances et les technologies pour vous donner un premier aperçu de l'avenir.

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