La durée de vie des batteries est au cœur du succès du développement des véhicules électriques. Dans l’idéal, on l’aimerait au moins aussi longue que celle des engins qu’elles équipent. On y arrive !

En nombre de cycles

Si on exprime encore souvent en années la durée de vie des batteries, il est plus correct et préférable d’utiliser le nombre de cycles de décharge/recharge. Pourquoi ? Parce que certaines batteries s’altèrent principalement lors de leur utilisation, alors que d’autres sont plus sensibles au poids des années. C’est une question de technologie. Pour ce comptage, on estime un peu artificiellement que ces décharges et recharges sont effectuées le plus à fond possible. D’une part car il est le plus souvent nécessaire de pratiquer ainsi régulièrement, – mais pas obligatoirement à chaque fois -, afin de conserver la meilleure capacité possible des accumulateurs. Et ensuite parce que lorsque ses opérations sont réalisées partiellement, des facteurs influant sur la durée de vie entrent en jeu, comme l’échauffement de fin de charge qui peut avoir un effet destructeur lorsqu’il est répété dans le temps. Pour autant, cette étape est le plus souvent nécessaire. Au fil des cycles, les batteries perdent progressivement de leur capacité, d’abord de manière peu perceptible, puis de plus en plus rapidement.

L’impact de la technologie

Toutes les batteries ne vieillissent pas de la même façon. Certaines peuvent fonctionner pendant plusieurs dizaines d’années. Au début de l’histoire de l’automobile, on trouvait dans les voitures électriques des accumulateurs nickel-fer (NiFe), progressivement tombés dans l’oubli, en particulier en raison de leur difficulté à restituer rapidement de fortes puissances. Certaines formes de ces batteries peuvent encaisser des dizaines d’années d’existence : le seul remplacement de l’électrolyte permettant de retrouver les qualités initiales des cellules. Globalement, quelle que soit la technologie, les batteries ont tendance à gagner en durée de vie, donc, en nombre de cycles, ce qui, lorsqu’il s’agit d’accumulateurs employés dans des voitures électriques, se traduit par une augmentation du kilométrage potentiel réalisable avec le pack.

Dysfonctionnements, manque d’entretien et accidents

Pour certaines technologies de batteries embarquées dans des voitures électriques, un manque d’entretien ou un mauvais usage peut avoir des effets irréversibles sur la durée de vie des accumulateurs.

Sur les NiCd, oublier de rajouter de l’eau déminéralisée selon prescription du constructeur va conduire à un échauffement qui pourra créer une fusion des éléments et conduire à l’explosion du bloc en présence d’hydrogène. Ajouter ce liquide sans procéder au préalable à une charge d’entretien fera qu’à la recharge complète normale suivante de l’électrolyte s’échappera de la batterie, diminuant sa capacité.

Au plomb, comme au lithium, les décharges profondes peuvent tuer irréversiblement et brutalement les accumulateurs. D’autres facteurs, plus indirects mènent au même résultat fatal. Ainsi l’emballement thermique des cellules lithium, notamment en cas de surcharge. Les BMS (battery management system) doivent cependant permettre d’éliminer de tels risques.

Comparaison

La plupart du temps, les packs plomb des voitures électriques leur permettaient de parcourir utilement environ 60 kilomètres. Avec un nombre maximal de 1.200 cycles de recharge/décharge, on pouvait, au mieux, et sur le papier, réaliser au mieux 72.000 km avant remplacement. La technologie NiCd, à condition de scrupuleusement éviter de trop forts échauffements, avait permis d’aller plus loin. Déjà parce que les packs étaient dimensionnés pour une autonomie d’environ 80 km après recharge complète.

Ensuite, parce qu’on pouvait attendre une durée de vie de 2.000 cycles avec eux. Dans ces conditions, on passe à une espérance de vie maximale théorique de 160.000 km. Et, désormais, avec le lithium et un nombre de cycles en retrait, – de l’ordre de 1.500 -, mais couplé à des packs permettant d’envisager de parcourir 300 kilomètres, le potentiel passe à 450.000 km. La plupart des voitures électriques seront sans doute éliminées de la circulation avant d’y parvenir. Sauf que les batteries lithium s’altèrent aussi avec le temps qui passe.

Des chiffres discutables

Ces chiffres sont forcément discutables. Alors on en discute ! De nombreux facteurs vont diminuer l’espérance de vie d’une batterie en termes d’années de fonctionnement et de kilométrage possible, mais pas forcément en nombre de cycles de décharge/recharge. Pour le lithium, qui est la technologie la plus répandue actuellement, comme pour les plomb et les NiCd : le roulage par temps froid avec chauffage, l’usage de la climatisation l’été, de fréquents arrêts et redémarrage, des accélérations fulgurantes, etc. Tout cela réduit l’autonomie sur une recharge. A l’inverse, le surgonflage des pneus, la pratique de fréquentes charges partielles et de l’éco-conduite vont jouer positivement. Par ailleurs, les industriels qui fabriquent des batteries lithium-ion souhaitent aller vers une durée de vie qui atteigne les 2.000 cycles, et plus encore, bien sûr !

L’avenir devant

D’autres technologies vont bien plus loin. Que dire des supercondensateurs, – également dans la catégorie des accumulateurs -,  qui ridiculisent ces chiffres ? L’université américaine de Drexel, à Philadelphie (Pennsylvanie), serait parvenue, en exploitant hydrogel et MXene, à créer un accumulateur rassemblant le meilleur des batteries et des supercondensateurs. Les scientifiques concernés évoquent plus de 10.000 cycles de décharge/recharge sans aucune altération sur les capacités de cet hybride qu’il prévoit dans les voitures d’ici quelques années. Un exemple parmi d’autres des travaux en cours qui laissent espérer des améliorations majeures rapidement.

Un déclin progressif

Quoi qu’il en soit, une batterie ne va pas brusquement s’arrêter de fonctionner en raison d’un certain nombre de cycles de décharge/recharge qu’elle aurait encaissé. La perte de capacité va être progressive, d’autant plus sur les lithium. Elle peut même être masquée quelques mois ou années par un artifice des constructeurs de voitures électriques qui vont rendre une partie de cette capacité invisible. Un artifice qui n’a rien de répréhensible, et procure une certaine sensation de stabilité assez rassurante. Chez différentes marques de VE, le pack est considéré comme trop faible pour la propulsion électrique si sa capacité descend en dessous de 70%. On peut donc considérer qu’il est ici en fin de vie, après plus de 8 ans d’utilisation au moins, comme le laisse supposer la durée de garantie accordée par quelques constructeurs sur les batteries de traction. A dire vrai, le recul est encore insuffisant aujourd’hui pour donner un terme précis et général à la vie d’une batterie lithium. Les progrès technologiques contribuent à ce flou plutôt positif, dans le sens où les accus lithium surprennent plutôt agréablement par leur longévité.

Seconde vie

Partant du principe que prolonger la durée de vie d’une batterie permet de réduire son empreinte négative sur la planète, les constructeurs de voitures électriques intègrent, en partenariat avec des opérateurs de recyclage, une seconde vie des accumulateurs lithium avant de les détruire pour en récupérer le maximum de composants. Quand les batteries ne sont plus exploitables pour la propulsion des voitures électriques, parce que réduisant trop fortement l’autonomie, elles peuvent encore servir des années à des applications de stockage tampon, en soutien, par exemple, de la production d’énergie obtenue de sources renouvelables et intermittentes (solaire, éolien).

De nombreux projets

Le cadre du programme des investissements d’avenir (PIA) a permis à l’Ademe de distinguer quelques idées qui vont dans le sens de la seconde vie des batteries de traction. Ainsi le programme UEX236 au sein duquel la société nouvelle d’affinage des métaux (SNAM), en partenariat avec le CEA, développe un démonstrateur industriel qui incorpore en amont du recyclage une opération de diagnostic des batteries afin d’exploiter les meilleures dans un usage adapté à leur état. Renault, Nissan, et d’autres constructeurs planchent sur le sujet, et rivalisent de projets.

xStorage Home

Nissan s’est pas mal investi sur le sujet et propose déjà du concret, notamment avec son offre xStorage Home. En s’appuyant sur des batteries en seconde vie récupérées sur des voitures électriques de la marque, le constructeur propose de stocker de l’énergie pour la restituer au besoin, selon 2 scénarios principaux. Le système peut se régénérer via le réseau électrique national aux horaires où les tarifs de l’électricité sont les moins chers, pour redistribuer l’énergie aux heures de pointe. Le deuxième scénario exploite des panneaux solaires, par exemple installés sur le toit de la maison. Le dispositif va se recharger grâce à une énergie renouvelable et locale en surplus de production, afin d’alimenter les systèmes électriques du domicile une fois le Soleil couché. Le système, qui existe aussi pour les entreprises, doit permettre de réaliser de substantielles économies sur la facture d’électricité.

Renault suit le mouvement

En partenariat avec l’entreprise britannique Powervault, Renault expérimente, à cheval sur 2017 et 2018, un système similaire à l’offre xStorage Home de Nissan, comptant allonger la durée de vie des batteries de 5 à 10 ans. Le Losange a réalisé 50 unités de stockage à partir de batteries en seconde vie, à installer chez des clients déjà équipés en panneaux photovoltaïques. Au sein de leur alliance, les 2 constructeurs ont le projet d’ouvrir une centrale de stockage d’électricité d’une capacité de 100 mégawatts, toujours en s’appuyant sur des batteries en seconde vie. Ce seraient 120.000 foyers européens qui pourraient être ainsi alimentés en électricité, en remplacement d’une installation thermique. Ce projet de l’alliance Renault-Nissan est mené avec The Mobility House, les 3 partenaires ayant déjà mis en place à l’Amsterdam Arena un premier système de stockage en alimentation d’urgence composé de 280 packs de Nissan Leaf en fin de première vie.

E-Stor

Les batteries de traction en seconde vie peuvent aussi être un élément clé des bornes de recharge pour voitures électriques et hybrides rechargeables. Renault a ainsi implanté sur des aires d’autoroutes en Allemagne et Belgique 2 stations rapides. Pour ce programme E-Stor, le Losange travaille avec Connected Energy, spécialiste britannique du stockage d’électricité. Outre l’exploitation de batteries de traction en seconde vie, le système affiche une autre vertu : alimenter des bornes de recharge rapide à partir d’une source de faible puissance, – réseau électrique, éoliennes ou ombrières solaires. Pas besoins de travaux de raccordement importants et/ou d’une arrivée électrique très puissante, en passant par un jeu de batteries tampons. Le dispositif n’a rien d’anecdotique, puisqu’il permet de dresser des bornes rapides dans des lieux où il serait classiquement difficile et/ou très coûteux de le faire.

La durée de vie des batteries des voitures électriques
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