On retrouve des batteries dans notre quotidien, aussi bien dans nos ordinateurs, nos smartphones, nos tablettes que dans nos vélos ou voitures. La demande mondiale de batteries en GWh ne cesse d’augmenter, elle devrait être multipliée par 10 entre 2020 et 2030. Selon la Commission européenne, le marché européen à lui seul pourrait représenter plus de 250 milliards d’euros par an dès 2025. A l’image de nombreux produits, les batteries ont un cycle de vie décomposé en plusieurs étapes. Elles sont d’abord fabriquées, puis utilisées et en fin de vie, elles sont soit réutilisées soit recyclées. A chaque étape il peut y avoir un impact environnemental. Or les batteries sont un maillon technologique important pour la transition énergétique, notamment dans le cadre de la décarbonation des transports.

 Quels sont les différents types de batteries ?

Bien que l’on parle de batteries au quotidien, il convient de rappeler les différentes technologies de batteries qui n’ont pas forcément les mêmes impacts environnementaux. Le marché des batteries, se répartit entre différentes technologies, au plomb, au lithium et dans une moindre mesure au nickel. Ces batteries ont des applications différentes et peuvent être réparties en trois environnements :

• Batteries portables pour l’électronique grand public,
• Batteries automobiles pour les véhicules thermiques,
• Batteries industrielles avec notamment les systèmes de stockage d’énergie, les panneaux photovoltaïques et solaires ainsi que les véhicules électriques et hybrides.

Les batteries au plomb sont celles dont les quantités mises sur le marché en volume sont les plus importantes dans le monde. Elles ont l’avantage d’avoir un faible coût et une certaine maturité technologique de par leurs utilisations importantes dans les systèmes de démarrage, d’éclairage ou d’allumage automobile. Un autre avantage est leur taux de recyclage important. Les batteries au lithium connaissent également une forte progression de leur production, tirées par la croissance du véhicule électrique, un marché en pleine explosion. Selon les chiffres publiés en décembre par la Commission européenne, la demande va être multipliée par quatorze entre 2018 et 2030^[2]. Elles ont de nombreux avantages :

• Elles peuvent être déchargées presque complètement sans aucune dégradation.
• Elles ne se dégraderont pas même si elles ne sont pas régulièrement chargées à leur maximum.
• La courbe de tension d’une batterie au lithium est plate tout au long du processus de décharge. Cela signifie qu’une batterie chargée à 20 % fournira presque la même tension qu’une batterie chargée à 80 %. Cette courbe de tension permet d’éviter les problèmes de chute de tension propres aux batteries au plomb et permet de fournir une énergie constante aux applications qu’elle alimente.

Le processus de charge est plus rapide que pour le plomb. En revanche, le coût des batteries au lithium reste conséquent. Les batteries au nickel, quant à elles, se trouvent dans une plus faible mesure dans les véhicules hybrides et dans l’électronique grand public. En effet, elles peuvent supporter d’important courants de charge et de décharge et sont plus résistantes à la surchauffe que les batteries au lithium. En France, le volume de batterie au nickel mis sur le marché en 2020 représentait moins de 4 000 tonnes ^[1].

 Quel impact environnemental des batteries ?

La question de l’impact des batteries sur l’environnement est présente sur toute la vie du produit. Elle peut être plus ou moins importante en fonction des matériaux utilisés, de la production et de la seconde vie des batteries. Selon l’ADEME, en 2020, plus de 189 000 tonnes de batteries ont été collectées en France. Cette même année, plus de 193 000 tonnes de batteries provenant de France ou encore de l’étranger ont connu un traitement^[1] .

Infographie Wavestone 2022

Vers une future réduction de l’impact environnemental ?

Une optimisation de la capacité des batteries permettra d’augmenter leur durée d’utilisation et par conséquent de faire appel à une quantité réduite de batteries. Un cadre réglementaire a été mis en place pour faciliter le réemploi des batteries des véhicules électriques dans les bâtiments ou les réseaux électriques. Lorsqu’une batterie n’est plus assez performante pour un véhicule, cette dernière peut être réutilisée pour un stockage stationnaire tout en étant performante, de quoi prolonger sa durée de vie. Cela réduit également le coût des batteries qui représente près de 30% du prix total du véhicule électrique^[8]. Cette deuxième vie, permet de réduire la perte financière de la batterie en fin de vie qui aurait été d’autant plus importante si cette dernière avait été simplement mise au rebut. Une solution peut également être la hausse du pourcentage de collecte et de traitement des batteries. La Commission européenne a proposé en décembre 2020, un projet de réglementation européen couvrant l’ensemble du cycle de vie des batteries. Voici quelques données :

Le taux de collecte des batteries^[9] portables a été fixé à 65 % en 2025 et 70 % en 2030.  Il était de 45% en 2020 en France. Le taux de valorisation des matières^[9] pour le cobalt (Co), nickel (Ni), lithium (Li), cuivre (Cu) a été fixé respectivement à :

• 90 %, 90 %, 35 % et 90 % en 2025
• 95 %, 95 %, 70 % et 95 % en 2030

Pour les batteries au lithium, le rendement de recyclage^[9] des batteries attendu sera de 65% en 2025 et de 70% en 2030. Les batteries devront contenir à l’avenir une teneur minimum en métaux issus du recyclage :

• 2025 :
• 2035 :

En parallèle de la collecte et du recyclage, la commission établit un cadre concernant la réaffectation des batteries en fin de vie pour une nouvelle utilisation.

Vers l’émergence de nouveaux types de batteries ?

La batterie lithium-ion tout-solide : Aujourd’hui les batteries au lithium sont constituées d’électrolyte liquide. C’est une substance conductrice qui permet à la batterie de transférer son énergie et lui donne la possibilité de se recharger. Selon le CEA-Liten, à horizon 2030, remplacer l’électrolyte liquide par du solide pourrait permettre de doubler l’autonomie des batteries à travers l’augmentation de la densité énergétique.

La batterie au lithium-soufre : Aujourd’hui les batteries sont composées de matériaux critiqués, notamment pour les effets de leur extraction sur l’environnement et leur approvisionnement parfois instable. L’avantage d’une batterie au lithium-soufre est le changement des matériaux utilisés. L’objectif serait de diminuer voir se passer de ces matériaux, en remplaçant les électrodes positives à base de nickel, cobalt et manganèse par des électrodes positives à base de soufre. Un autre avantage est l’augmentation de la densité énergétique. Avec ce changement de matériau, la densité énergétique de la batterie serait 5 fois plus élevée que celle d’une batterie au lithium-ion.  Cela permettrait de compenser un des problèmes de la technologie lithium-ion, qui est sa dégradation rapide.

La batterie sans masse : L’objectif est d’avoir un matériau en fibre de carbone qui sert à la fois de source d’énergie et de composant structurel pour un véhicule. Cela amènerait à une réduction du poids. Cette batterie aurait la même solidité que de l’aluminium mais avec un poids plus faible (rigidité de 75 GPa). La batterie permettrait alors d’être une source d’énergie tout en faisant partie de la structure du véhicule via la forme d’un matériau en fibre de carbone.  Cela amènerait également à une augmentation de la densité énergétique. Elle est de 24 Wh/l, soit 20 % des actuelles batteries au lithium-ion. Mais elle pourrait atteindre dans les prochaines années une densité énergétique de 75 Wh/l.

En complément de l’émergence de ces batteries, un nouvel écosystème industriel voit le jour. Un partenariat a été lancé entre Veolia, le groupe automobile Renault et le groupe de chimie Solvay pour recycler en circuit fermé les métaux présents dans les batteries. Une unité pilote préindustrielle doit voir le jour en 2024-2025.  Un procédé innovant de recyclage de batterie lithium-ion a été lancé par un projet collaboratif de recherche et d’innovation ReLieVe. Ce dernier est un consortium composé de Eramet (développement du procédé de recyclage), SUEZ (collecte et le démantèlement des batteries en fin de vie) et des équipes de recherche de Chimie ParisTech et de la Norwegian University of Science and Technology (support académique).

Il existe donc plusieurs types de batteries pour des usages différents, mais une seule est majoritaire pour le véhicule électrique, or celle-ci n’est que peu collectée pour être traitée. En fonction de la source d’énergie utilisée pour la production de la batterie puis pour l’alimentation de celle-ci, l’impact carbone est en général plus faible qu’un véhicule thermique. De plus, une seconde vie peut être donnée aux batteries des véhicules électriques à travers le stockage stationnaire, ce qui permet à nouveau de réduire l’impact carbone sur l’ensemble de sa vie. Différentes pistes d’améliorations ont pu être énoncées pour améliorer l’impact des batteries, mais cela ne passera pas sans la sobriété. En effet, une des solutions sera de réduire la taille et la puissance des véhicules électriques et donc à travers elles la taille des batteries. L’autonomie sera moindre mais permettra de couvrir la majorité des trajets réguliers. Les nouvelles réglementations incitent également les acteurs du secteur à augmenter les taux de collecte, de recyclage et de réaffectation des batteries en fin de vie. La maturité du marché sera une des clés pour répondre à ces objectifs. En effet, la maturité du marché va passer par la hausse des quantités de batteries à recycler et une amélioration et standardisation des procédés de recyclage. L’industrialisation et la durabilité de la filière batteries sera un enjeu clé dans la transition écologique, les progrès à réaliser seront déterminants.

Fabrication des batteries : un enjeu majeur pour la mobilité électrique, au cœur de toutes les attentions

Sources :

[1] : Piles et accumulateurs : données 2020 – ADEME, https://librairie.ademe.fr/dechets-economie-circulaire/5130-piles-et-accumulateurs-donnees-2020.html

[2] : Mobilités électriques : où se trouvent les futures usines de batteries en Europe – Les Echos, https://www.lesechos.fr/industrie-services/automobile/mobilites-electriques-ou-se-trouvent-les-futures-usines-de-batteries-en-europe-1332115

[3] : Principaux pays producteurs de plomb dans le monde de 2013 à 2021 – Statista, https://fr.statista.com/statistiques/565209/principaux-pays-producteurs-de-plomb/

[4] : Principaux pays producteurs de lithium dans le monde de 2010 à 2021 – Statista, https://fr.statista.com/statistiques/570559/principaux-pays-producteurs-miniers-de-lithium-dans-le-monde/

[5] : Des batteries en route vers le futur – Les Echos, https://www.lesechos.fr/thema/articles/des-batteries-en-route-vers-le-futur-1305048

[6] : Automobile feu vert pour une industrie durable – Institut Montaigne, https://www.institutmontaigne.org/ressources/pdfs/publications/automobile-feu-vert-pour-une-industrie-durable-note.pdf

[7] : Les idées reçues sur la voiture électrique – Carbonne 4, https://www.carbone4.com/analyse-faq-voiture-electrique

[8] : Battery Price Declines Slow Down in Latest Pricing Survey – Bloomberg, https://www.bloomberg.com/news/articles/2021-11-30/battery-price-declines-slow-down-in-latest-pricing-survey

[9] : De nouvelles règles européennes pour des batteries plus durables et éthiques – Parlement européen, https://www.europarl.europa.eu/news/fr/headlines/economy/20220228STO24218/de-nouvelles-regles-europeennes-pour-des-batteries-plus-durables-et-ethiques