Combien de lithium dans une batterie de voiture électrique ?

Quelle est la composition d’une batterie de voiture ?

Au-delà du lithium, une batterie de voiture électrique est constituée de divers éléments. Les cellules, qui sont le cœur de la batterie, sont fabriquées à partir de métaux tels que le nickel, le manganèse et le cobalt. Ces cellules, entourées d’un système de refroidissement, de séparateurs et de catalyses, assurent le bon fonctionnement de la batterie.

Chacune de ces cellules contient deux électrodes : une anode et une cathode, séparées par une substance conductrice, l’électrolyte. Le lithium joue un rôle crucial dans la construction du noyau de la batterie, tandis que le cobalt est un élément essentiel dans la composition des cathodes.

La place du lithium dans la composition d’une batterie

Qu’est-ce que le lithium ?

Le lithium est un élément chimique de la famille des alcalins, connu pour être le plus léger de tous les métaux. Son symbole chimique est Li et son numéro atomique est 3. Il possède des propriétés électrochimiques spécifiques qui le rendent idéal pour l’utilisation dans les batteries. Il se caractérise notamment par sa grande réactivité, due à sa capacité à perdre facilement son électron le plus externe. Cela permet une circulation aisée du courant à travers une batterie.

Rôle du lithium dans une batterie

Le lithium agit comme un agent de transfert pour les ions dans une batterie, facilitant le flux d’électrons entre les électrodes. Lors de la charge, les ions lithium se déplacent de la cathode vers l’anode, processus qui s’inverse lors de la décharge. C’est ce mouvement continu qui permet à la batterie de stocker et de libérer de l’électricité.

Ce métal léger est également apprécié pour sa capacité de stockage d’énergie élevée, qui contribue à la performance et à l’autonomie des véhicules électriques. Les chercheurs cherchent à augmenter la quantité d’ions lithium échangeables entre les électrodes pour améliorer encore ces caractéristiques.

Le lithium-ion : une technologie clé pour les véhicules électriques

La technologie lithium-ion est devenue la référence pour les véhicules électriques. Sa popularité repose sur plusieurs avantages clés.

D’abord, son énergie massique élevée, c’est-à-dire la quantité d’énergie électrique stockable dans un kilo de batterie. Cette caractéristique rend les batteries lithium-ion plus performantes que les anciennes batteries au plomb ou au nickel métal hydrure (NiMH).

Ensuite, la capacité des batteries lithium-ion à supporter de nombreux cycles de charge et décharge (entre 1000 et 1500 cycles), ce qui correspond à une longévité approximative de dix ans pour une utilisation moyenne de 15 000 à 30 000 km par an.

Enfin, le lithium-ion offre une densité d’énergie élevée, permettant de stocker 3 à 4 fois plus d’énergie par unité de masse par rapport aux autres technologies. Cela se traduit par une plus grande autonomie des véhicules électriques.

Cependant, ces avantages ne sont pas sans conséquences. La demande mondiale en lithium pourrait être multipliée par quatre ou par six d’ici à 2030 pour répondre aux besoins de l’industrie automobile électrique.

Quelle masse de lithium est nécessaire pour réaliser une batterie de voiture électrique ?

Lithium : combien pèse une batterie de voiture

La densité énergétique d’une batterie est déterminée par le poids du lithium qu’elle contient. Le lithium, bien que très léger, représente une part importante du poids total de la batterie. Les batteries des voitures électriques pèsent généralement entre 250 et 300 kg, dont une partie conséquente est attribuée au lithium. Pour donner un ordre d’idée, la batterie d’une Tesla Model S contient environ 62,6 kg de lithium.

Cette réalité souligne l’importance du lithium dans le fonctionnement des véhicules électriques. Sa densité énergétique élevée permet de stocker une grande quantité d’énergie dans un poids donné, offrant ainsi une meilleure autonomie aux véhicules.

Le poids du lithium dans la batterie :

• Batterie standard : entre 3 et 5 kg de lithium
• Batterie de Tesla Model S : environ 62,6 kg de lithium

La quantité de lithium dans une batterie peut également être exprimée en termes de capacité de stockage. Ainsi, pour 1kWh de capacité de stockage, il faut compter environ 113 grammes de lithium.

Comment connaître la quantité de lithium dans une batterie ?

La quantité de lithium nécessaire dans une batterie de voiture électrique dépend de la capacité de stockage d’énergie souhaitée. En général, pour chaque kWh de capacité, 113 grammes de lithium sont nécessaires, soit environ 600 grammes de carbonate de lithium.

Prenons un exemple : une voiture électrique équipée d’une batterie de 24 kWh nécessitera environ 2,7 kg de lithium. Pour une batterie de 10 kWh, ce sera environ 1,1 kg de lithium.

La quantité de lithium utilisée a un impact direct sur le poids de la batterie. En effet, plus une batterie a une capacité de stockage élevée, plus elle contiendra de lithium, augmentant ainsi son poids.

Il est à noter que malgré ces chiffres, le lithium ne représente qu’une petite fraction du poids total de la batterie qui comprend également d’autres éléments tels que le cobalt, le nickel ou le manganèse.

Comparaison : poids du lithium dans une Tesla et dans un téléphone portable

Le poids du lithium dans une Tesla Model S est de 62,6 kg. En comparaison, une batterie de téléphone portable de 3 000 mAh ne contient que 0,6 g de lithium. C’est plus de 100 000 fois moins que dans une Tesla ! Pourtant, ces deux appareils dépendent fortement du lithium pour leur fonctionnement.

Pour mieux visualiser ces chiffres, nous pouvons considérer que :

• Une Tesla Model S avec une batterie de 100 kWh contient à peu près 11 kg de lithium par 10 kWh.
• Un téléphone portable avec une batterie de 3 000 mAh (soit environ 0,01 kWh) contient à peu près 0,6 g de lithium par 0,01 kWh.

Il est donc évident que la quantité de lithium utilisée dans les véhicules électriques est nettement supérieure à celle des téléphones portables. Cela s’explique par le fait que les voitures électriques nécessitent une plus grande capacité de stockage d’énergie pour assurer leur autonomie.

Fabrication d’une batterie de voiture électrique et utilisation du lithium

Le processus de fabrication d’une batterie au lithium-ion

La fabrication d’une batterie au lithium-ion pour une voiture électrique suit plusieurs étapes nécessitant une grande précision.

Premièrement, les matières premières : lithium, cobalt, nickel, et autres sont extraites et traitées.

Deuxièmement, les électrodes, anode (négative) et cathode (positive), sont fabriquées à partir de ces matériaux. L’anode est généralement en graphite, tandis que la cathode est un mélange de lithium et d’autres métaux.

Troisièmement, ces électrodes sont ensuite immergées dans une solution électrolytique, composée principalement de sels de lithium dissous dans un solvant organique.

Quatrièmement, l’ensemble est assemblé dans une cellule de batterie, qui est ensuite intégrée à un module de batterie.

Chacune de ces étapes requiert des conditions spécifiques et le respect de normes de sécurité strictes.

Quantité d’eau nécessaire pour produire 1 kg de lithium

L’extraction du lithium pour les batteries de voitures électriques nécessite une grande quantité d’eau. Selon certaines études, environ 400 litres d’eau sont utilisés pour extraire 1 kg de lithium. Cela peut varier selon le procédé d’extraction utilisé, par exemple, l’évaporation de saumure nécessite davantage d’eau.

Pour mettre cela en perspective, la production d’1 kg de fromage nécessite environ 1 100 litres d’eau. Ainsi, l’extraction du lithium a un impact significatif sur l’utilisation de l’eau, une ressource précieuse et de plus en plus rare.

Impact environnemental de l’extraction du lithium pour batteries

L’exploitation du lithium, nécessaire à la production de batteries pour véhicules électriques, soulève des interrogations environnementales. L’extraction de ce métal peut engendrer des conséquences écologiques notables comme la dégradation des terres et la contamination des eaux.

• Le processus d’extraction peut entraîner un aménagement massif des paysages naturels, perturbant les écosystèmes locaux.
• L’extraction du lithium est également gourmande en eau. Dans certains cas, son prélèvement se fait au détriment des ressources en eau potable des populations locales.
• L’utilisation de produits chimiques lors du processus d’extraction peut contaminer les sols et les eaux souterraines, avec des conséquences potentiellement néfastes pour la santé humaine.

Il est donc essentiel de considérer ces impacts dans la transition vers une mobilité plus durable.

Autres composants d’une batterie de voiture électrique

Rôle et quantité du cobalt dans une batterie

Le cobalt est un autre élément crucial dans la composition des batteries de voitures électriques. Sa principale fonction est de stabiliser la structure de la cathode, ce qui permet une recharge rapide et une longue durée de vie de la batterie.

Cependant, la quantité de cobalt nécessaire dans une batterie varie. En moyenne, une batterie électrique contient environ 7 à 13 kilos de cobalt, dépendant de la capacité de la batterie. Par exemple, une batterie de 40 kWh contient environ 5,5 kilos de cobalt, tandis qu’une batterie de 90 kWh en contient environ 11 kilos.

Il est à noter que certains fabricants, comme Tesla, travaillent à réduire leur dépendance au cobalt en raison de ses problèmes éthiques et environnementaux associés à son extraction.

Importance du nickel et du manganèse dans la composition d’une batterie

Le nickel et le manganèse sont deux autres composants essentiels des batteries de voitures électriques. Le nickel contribue à augmenter la densité énergétique de la batterie, permettant une plus grande autonomie. C’est pourquoi, par exemple, dans la composition couramment utilisée NCM 811, le nickel constitue 80% de la formule.

Le manganèse, de son côté, intervient dans la stabilité de la structure de la batterie. Il est également moins coûteux et plus abondant que le cobalt, ce qui en fait un choix économique pour les fabricants. Dans certaines batteries, le manganèse peut représenter jusqu’à 10% de la composition.

En somme, le nickel et le manganèse jouent des rôles complémentaires dans la performance des batteries, contribuant à leur capacité de stockage d’énergie, à leur stabilité et à leur durabilité.

Futur des batteries : alternatives au lithium-ion ?

Face aux défis environnementaux et économiques associés à l’utilisation du lithium, de nombreuses recherches se portent sur l’exploration d’alternatives pour les batteries des véhicules électriques.

Les batteries sodium-ion émergent comme une solution prometteuse. Développées par des entreprises comme CATL, ces batteries présentent la particularité d’utiliser du sodium, un élément plus abondant et moins coûteux que le lithium. Elles pourraient offrir une autonomie comparable aux batteries lithium-ion tout en étant plus respectueuses de l’environnement.

Un autre type d’alternative est représenté par les batteries LFP (Lithium-Fer-Phosphate). Ces batteries se démarquent par l’utilisation de composants plus éco-responsables, s’affranchissant ainsi du cobalt et du nickel, deux métaux dont l’extraction pose des problèmes éthiques et environnementaux.

L’innovation dans ce domaine ne se limite pas aux matériaux utilisés. De nouvelles technologies de batteries, comme celles basées sur des électrolytes solides, sont également à l’étude. Ces batteries promettent une meilleure stabilité et une densité énergétique accrue, malgré un coût de production actuellement plus élevé.

Il est clair que le futur des batteries de voitures électriques s’annonce riche en innovations.