Voyons maintenant quelle peut être l’évolution des batteries électriques de voitures.

          Je vais d’abord rappeler comment fonctionne une batterie Lithium-ions, qui est actuellement la plus utilisée, car elle procure des énergies par unité de masse deux à six fois supérieures aux batteries cadmium/nickel, nickel/hydrures métalliques, ou plomb- acide, qui étaient utilisées il y a une quinzaine d’années (et le sont encore pour des batteries ordinaires).
         Les performances des batteries Li-ion ont beaucoup progressé. Leur densité d’énergie produite a ainsi plus que doublé : elle est passée de 100 Wh/kg à 240 Wh/kg aujourd’hui (à comparer par exemple avec les 40-50 Wh/kg des batteries au plomb-acide).
         Le prix du kWh stocké a été divisé par 10 ces dix dernières années.          

          Une batterie est un assemblage de plusieurs accumulateurs ou « cellules » identiques fournissant chacun une tension électrique qui dépend des propriétés électrochimiques des matériaux utilisés. 
          Chaque cellule est constituée d’une électrode positive, la cathode, et d’une électrode négative, l’anode, les deux électrodes étant séparées par un milieu liquide ou solide, l’électrolyte, où des ions peuvent se déplacer.
          Dans une batterie au lithium, la cathode est constituée d’oxydes métalliques lammellaires (principalement 60% Cobalt, 20 % Nickel et 20 % Manganèse), et l’anode de graphite (des feuillets de carbone), qui se comportent comme des « éponges aux ions lithium ». (voir figures ci dessous). L’électrolyte est un composé organique, car le lithium prend feu au contact de l’eau.
          Lors de la charge, les électrons soustraits par le chargeur à la cathode, ionisent les atomes de lithium  insérés dans l’oxyde métallique et les ions Li+ vont migrer sous l’effet de la différence de potentiel vers l’anode où ils regagneront un électron au sein du graphite.

        Lors de la décharge, les atomes de lithium liés au carbone de l’anode se dissocient en ions positifs, Li+, et en électrons (selon la réaction LixC6 → x Li+ + x e– + C6) ; les électrons partent dans le circuit externe, tandis que les ions Li+ se déplacent en sens inverse à travers l’électrolyte jusqu’à la cathode ; ces ions récupèrent les électrons provenant du circuit électrique externe et s’insèrent dans les oxydes métalliques de l’électrode. 

         Le facteur x, dans les réactions indiquées ci-dessus, détermine la capacité de stockage de charge, c’est-à-dire la charge électrique maximale accumulée que l’on exprime généralement en Wh/kg de batterie. 

         Les améliorations concernant la cathode consistent à diminuer la quantité de cobalt; on a essayé en 2022 des composés 90% Ni, 5% Co, 5% Mn. De l’aluminium a aussi été utilisé, par le constructeur Tesla. pour remplacer en partie de cobalt et le nickel .
         Des recherches ont lieu pour utiliser des oxydes riches en lithium qui apporteraient des progrès spectaculaire en énergie, mais avec une longévité dégradée.
        Les densités électriques en volume et en poids (Wh par kilo et par litre) sont figurés sur les graphiques ci-dessous.

          En ce qui concerne l’anode, elle est pour le moment en graphite, mais des essais ont lieu pour le remplacer par du silicium, dont la capacité théorique est dix fois supérieure. Mais des problèmes de passivation au niveau de l’électrolyte ne sont pas résolus et ils impactent la durée de vie de la batterie. Des anodes en mélange 90% carbone, 10% silicium sont utilisées actuellement

          L’électrolyte est actuellement un mélange liquide de solvants, de sels de lithium et d’additifs en faible quantité. Celui de demain pourrait être solide. Des batteries ont été développées avec un thiophosphate de lithium.
         Ces batteries seraient potentiellement plus sûres que celles commercialisées aujourd’hui, mais aussi plus attractives en termes de densité volumique d’énergie (supérieure de 60 % à celle du Li-ion classique), notamment parce qu’elles permettent l’utilisation d’anodes en lithium métallique, au lieu du graphite. Des prototypes ont atteint les 900 Wh/l.

        La recharge rapide fait aussi l’objet de nombreuses recherches. Diminuer la largeur des électrodes et de l’électrolyte est une solution, mais elle diminue la densité d’énergie.
        Un fort inconvénient d’une charge rapide est le risque de formationde dendrites de lithium, dont la croissance peu entraîner un. court-circuit et l’incendie ou l’explosion de la batterie.
        Actuellement les cycles de recharge les plus courts sont de 25 minutes, (Tesla),avec des bornes de puissance énorme et des fils de cuivre de plus d’un cm de diamètre.

       Un défaut des batteries LI/ions est leur impact écologique : pour fabriquer ou pour recycler une batterie Li-ion stockant 1 kWh par cycle, une énergie de 400 kWh, associée à l’émission de 75 kg de CO2, est nécessaire. 

       Plusieurs compagnies étudient des batteries sodium ions et elles commencent à être commercialisées pour de petits matériels. En effet leur densité massique est moindre que celles au Li/ions (140 Wh/kg , contre 240 Wh/kg), mais elles bénéficient de charge rapide, et le sodium, est mille fois plus abondant que le lithium, donc moins cher, tout en étant uniformément réparti sur le globe terrestre, alors que le lithium est très localisé. 

         Il reste donc beaucoup de recherche et d’études à faire pour améliorer la densité massique et volumique des batteries, aini que leur charge rapide et leur impact écologique.
         Une grande avancée sera faite lorsqu’on aura une voiture qui pourra faure 400 km sur autoroute à, 130 km:h avec le chauffage ou la clim allumée et que l’on pourra la recharger à 80% en une demi^heure, et cela pour un prix raisonnable. Je ce-rains qu’il ne faille encore attendre quelques années pour cela.