Comme expliqué précédemment, le terme « batterie lithium-ion » recouvre un large éventail de technologies. Il est possible d'avoir des compositions chimiques différentes pour chaque électrode positive et négative (anode ou cathode). Chaque technologie présente des avantages, comme le montre le graphique suivant, tiré d'un rapport public du Boston Consulting Group.
Figure 4 : avantages et inconvénients des différents matériaux d'électrode positive lithium-ion
Le nom de chaque technologie provient des matériaux actifs de ses électrodes. Très souvent, il provient directement du nom du matériau actif de l'électrode positive. Pour comparer ces options, on utilise généralement les caractéristiques utilisées dans la figure précédente ( puissance spécifique, énergie spécifique, coût, durée de vie, sécurité). Pour la durée de vie de la batterie, deux caractéristiques principales doivent être prises en compte :
- Durée de vie : vieillissement à l'usage. Un cycle correspond à une décharge complète suivie d'une recharge complète.
- Durée de vie calendaire : vieillissement en stockage (sans cycle). Ce phénomène est généralement dominant pour les états de charge élevés et les températures élevées (>35 °C).
Certaines technologies au lithium peuvent présenter des comportements différents pour ces deux types de vieillissement.
LiCoO2 (LCO)
Il s'agit de la technologie du premier accumulateur lithium-ion commercialisé par Sony en 1991. Elle présente une densité énergétique très élevée et un processus de fabrication relativement simple. Néanmoins, l'instabilité du dioxyde de cobalt (CoO2) lui confère une sécurité intrinsèque médiocre et les spéculations sur le prix du cobalt font grimper son coût. Cette technologie est encore utilisée dans les téléphones portables et les ordinateurs portables. Elle a été particulièrement médiatisée au milieu des années 2000 avec des téléphones et des ordinateurs portables qui ont pris feu (Sony a perdu beaucoup d'argent sur ce sujet) et plus récemment avec le Boeing 787 cloué au sol en raison de batteries défectueuses.
LiMn₂O₄ (LMO)
Cette technologie est apparue peu de temps après la LCO. Elle permet de répondre au problème de la spéculation sur le cobalt en passant à un matériau hautement disponible et peu coûteux : le manganèse. La densité énergétique est légèrement inférieure à celle de la LCO, mais reste très intéressante. De plus, la sécurité intrinsèque du matériau actif LMO est bien meilleure que celle du LCO. De grands fabricants tels que GS Yuaso et AESC (joint-venture entre Nec et Nissan) ont beaucoup investi dans cette technologie. Son principal inconvénient est sa faible durée de vie à des températures comprises entre 35 et 45 °C. Cela a conduit à un recours collectif contre Nissan par les propriétaires de Leaf dans le Colorado.
LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 (NMC)
Cette technologie a été développée pour pallier les problèmes du LCO, notamment en matière de vieillissement lors des cycles de charge/décharge complets. Elle offre des performances légèrement inférieures à celles du LCO en termes de densité énergétique, mais est plus stable en cas d'incident de sécurité, même si elle est plus réactive que le LMO.
Le NMC couvre une famille de structures, car les proportions de nickel, de manganèse et de cobalt peuvent être ajustées. La structure la plus développée est le 111 NMC (proportions égales de chaque matériau) : il s'agit généralement d'un bon compromis offrant une très bonne densité énergétique à un coût abordable, ainsi qu'une meilleure stabilité que le LCO. D'autres proportions sont utilisées, comme par exemple le 442 NMC ou le 622 NMC, qui sont également très répandus.
NCA (nickel, cobalt, aluminium)
La technologie NCA a été développée pour offrir une densité énergétique maximale. Elle a été initialement mise au point par Panasonic et Saft. Elle est désormais utilisée dans les véhicules électriques Tesla. La technologie NCA est très réactive et il est difficile de garantir sa sécurité dans un système de batterie de grande taille. C'est pourquoi Tesla utilise de nombreuses petites cellules de batterie au format standard (18650 : format standard principalement utilisé pour les ordinateurs portables et les outils électriques). La sécurité du système est donc plus facile à gérer grâce à des solutions de conception protectrices.
LiFePO4 (LFP)
La technologie LFP a été initialement brevetée par Hydroquebec. Le CEA a également beaucoup travaillé sur cette technologie depuis le début des années 2000 et détient également certains brevets sur ce matériau actif. Le LFP n'utilise aucun matériau spéculatif (ni cobalt ni nickel), présente une bonne sécurité intrinsèque (comme le LMO) et une très bonne durée de vie (durée de vie calendaire et cyclique). Son principal inconvénient est d'avoir une densité énergétique inférieure de 20 à 50 % à celle d'autres composés chimiques (principalement en raison d'une tension nominale inférieure, de 3,2 V contre 3,6 V). Il est largement utilisé par les fabricants et intégrateurs chinois, mais tous les grands fournisseurs de cellules au lithium proposent désormais un produit LFP dans leur gamme, principalement en raison de sa puissance élevée puissance de sa longue durée de vie.
Figure 2 : Les différents matériaux utilisés pour les électrodes positives
Risques d'inflation liés au cobalt
Comme expliqué précédemment, seuls le LFP et le LMO ne contiennent pas de cobalt et sont utilisés en grandes quantités pour fabriquer des batteries lithium-ion. Le LFP a une densité énergétique nettement inférieure à celle des composés à base de cobalt ; le LMO a une très bonne densité énergétique, mais une durée de vie beaucoup plus courte. En cas de pénurie de cobalt, ces deux composés constituent une valeur refuge.
Production de cobalt par pays
Utilisation du cobalt par marché
Partie de masse entre chaque matériau pour un module de batterie
Dans le matériau actif NMC 111, on trouve 1/3 de Co, 1/3 de Mn et 1/3 de Ni. Dans les NMC 622 et 811, la part de nickel augmente considérablement et la teneur en cobalt est alors réduite. Le matériau actif ne représente qu'une petite partie de la masse totale de la cellule : 26 % selon le graphique ci-dessous (source : Royal Society of Chemistry : http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2013/ra/c3ra45748f )
La masse des cellules ne représente également qu'une petite partie de la masse totale du module : 6,5 kg sur 12 kg, soit 54 %. Pour un module de 12 kg, la répartition de la masse entre les différents matériaux actifs est présentée dans le tableau ci-dessous :
