Lʼengouement des consommateurs et les objectifs de développement durable entraînent une hausse fulgurante de la demande de véhicules électriques. La vente de véhicules électriques aux États-Unis devrait représenter 50 % du marché dʼici 2030. Cependant, 99 % des matières premières et des composants des batteries des VE sont importés^{1, 2}. Lʼapprovisionnement en matériaux et en batteries fabriqués à lʼétranger entraîne dʼores et déjà un certain nombre de défis pour le secteur. Lʼinvasion de lʼUkraine par la Russie a déstabilisé les marchés et causé en mars 2022 lʼenvol des prix du nickel, un composant essentiel des batteries³.

Les constructeurs de VE nʼanticipent pas la stabilisation du commerce mondial dans un avenir proche. Markus Duesmann, président-directeur général de la division Audi de Volkswagen, a déclaré au New York Times : « lʼapprovisionnement en matières premières va poser problème pendant des années »⁴.

Le gouvernement américain est prêt à financer des approches innovantes pour un approvisionnement durable en batteries sur le marché intérieur. Une loi dʼinfrastructures bipartisane adoptée en 2022 a ainsi alloué plus de 7 milliards de dollars à la création dʼune filière américaine dʼapprovisionnement en batteries, avec pour objectifs la réduction des coûts et des perturbations, et une accélération de la production⁵.

Désormais, lʼavenir de la production intérieure de batteries est entre les mains des chercheurs et des fabricants. Le secteur des batteries pour VE utilise de nouveaux procédés et des technologies innovantes pour réaliser ce qui semblait impossible, à savoir produire des batteries fiables sans dépendre du commerce extérieur. Voici les stratégies des fabricants de batteries pour VE en vue de promouvoir une production intérieure durable et le rôle fondamental des techniques analytiques dans cette initiative.

Les principaux équipementiers de véhicules électriques sʼorientent vers la fabrication de leurs propres batteries pour surmonter les difficultés dʼapprovisionnement et réduire les coûts. Le Dr Mei Cai, directeur de la recherche sur les systèmes de batterie au sein du département R et D de General Motors, a présenté les travaux de GM relatifs à la fabrication de batteries lors de lʼInternational Battery Seminar and Exhibit 2022 à Orlando en Floride.

Le Dr Cai a notamment expliqué que la priorité absolue de GM dans le développement de batteries en interne était une densité énergétique (quantité dʼénergie stockée) élevée dans un format léger. Lʼaugmentation de la densité énergétique induit en effet une baisse des coûts. Lʼéquipe étudie la possibilité dʼutiliser des anodes en lithium solide et des interphases électrolytiques solides pour maximiser la densité énergétique et minimiser les coûts. Une fois le développement des batteries réussi, GM envisage de monétiser leur conception sur dʼautres marchés que celui des véhicules électriques.

Comment les fabricants de batteries peuvent-ils remporter la course à la production intérieure de batteries rentables à haute densité énergétique ? Lʼanalyse thermique fournit des informations cruciales pour une sélection des matériaux et une conception de batterie efficaces. Le contrôle de la sécurité et de la performance des batteries dans différentes conditions via lʼanalyse thermique constitue la première étape vers la conception de batteries fonctionnelles révolutionnaires. La rhéologie est utilisée pour optimiser les formulations des boues de batterie, aspect essentiel permettant de garantir la stabilité et la facilité de traitement pour la fabrication des électrodes.

Au vu de la forte demande de matériaux pour batterie lithium-ion traditionnels (lithium, cobalt, nickel et graphite), les chercheurs étudient des solutions alternatives durables. Group14 Technologies et Sila Nanotechnologies élargissent actuellement leurs recherches sur des matériaux dʼanode à base de silicone, potentiellement plus performants que les matériaux actuels à base de graphite⁶.

Lʼutilisation de nouveaux matériaux de batterie permet dʼaméliorer la production intérieure tout en accroissant la sécurité et la performance. Les chercheurs font appel à des techniques dʼanalyse thermique pour tester des batteries conçues avec des matériaux innovants dans des conditions de fonctionnement réalistes. Ainsi, M. C. Schultz et al du National Renewable Energy Laboratory ont utilisé des DSC et TGA de TA Instruments pour étudier les effets des revêtements sur les matériaux dʼanode en silicone⁷. Les DSC et les TGA sont couramment utilisés dans la recherche sur les batteries pour vérifier que les nouveaux matériaux améliorent le fonctionnement et la sécurité des batteries.

Lorsque les batteries lithium-ion arrivent en fin de vie, pourquoi gaspiller les matériaux précieux qui les composent ? Face à la rareté des matériaux de batterie, une solution consiste à réutiliser les matières premières contenues dans les batteries usagées. Le recyclage des batteries sur le territoire national est plus rentable, car il diminue les émissions et réduit les coûts de transport tout en renforçant la filière intérieure de production de matériaux de batterie⁸.

Comme avec tout programme de recyclage, lʼintégration de matériaux recyclés dans de nouveaux produits nécessite une caractérisation précise des matériaux. Comment les matériaux ont-ils été modifiés par les processus électrochimiques à lʼintérieur de la batterie ? Ont-ils été déformés du fait dʼune mauvaise utilisation ou dʼun endommagement de la batterie ? Les techniques dʼanalyse des matériaux aident les développeurs de batterie à sʼassurer que les matériaux recyclés sont dotés des propriétés thermiques et physiques nécessaires au bon fonctionnement dʼune batterie neuve.

En dépit des défis à relever, il existe aussi de formidables opportunités. Les constructeurs de VE ont la possibilité de prendre en main la production de batteries afin de surmonter lʼinstabilité de la chaîne dʼapprovisionnement et contrôler chaque aspect de la production de batteries. Les fabricants de batteries qui intègrent des matériaux nouveaux et recyclés verront alors la durabilité et la fiabilité incorporées dans leur production pour des décennies à venir.

Tout changement majeur dans la chaîne dʼapprovisionnement requiert un contrôle de la qualité et des tests rigoureux. Comme le montrent les exemples ci-dessus, les tests sur les matériaux de batterie représentent une étape cruciale dans le développement dʼune filière de production de batteries intérieure durable. De la sélection des matériaux aux tests de sécurité sur les batteries, ces techniques sont les piliers de la conception et de la fabrication de batteries sur le territoire national. Cliquez ici pour de plus amples informations concernant les tests réalisés sur les matériaux de batterie et découvrez comment ces techniques contribueront à pérenniser la production de batteries intérieure durable.