Le cycle de vie d’une batterie pour véhicule électrique

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Le cycle de vie d’une batterie pour véhicule électrique comporte quatre phases : développement, utilisation, seconde vie et recyclage. Suivons le parcours de l’une d’elles, du développement au centre de compétence du BMW Group jusqu’au recyclage.

Le 8 septembre 2020

Le lieu de naissance d’une batterie pour véhicule électrique

Le futur se prépare ici. Tout commence ici. Un grand silence règne, brisé seulement par le murmure monotone des machines de laboratoire. Avec leurs combinaisons de protection bleues et leurs gants turquoise, les 200 scientifiques et experts, essentiellement des chimistes et des ingénieurs des procédés, sont les seules taches de couleur à leurs postes de travail ultramodernes et immaculés du centre de compétence du BMW Group situé au nord de Munich, dont le domaine est la batterie pour véhicule électrique. C’est dans ces 12000 mètres carrés que la technologie des batteries de demain prend forme, pour une meilleure autonomie de la voiture électrique notamment. C’est aussi dans ces laboratoires et installations de recherche ultramodernes que la technologie et les procédés de production d’une batterie pour véhicule électrique sont optimisés. Le BMW Group essaie de comprendre précisément ce qui se passe dans une batterie pour véhicule électrique, ce qu’est la composition chimique et la conception idéales d’une batterie pour véhicule électrique et comment celle-ci peut être produite en grande série dans le cadre du développement durable. Les experts utilisent comme analogie la confection d’un gâteau.

La chimie d’une cellule de batterie est la recette. Les ingrédients du gâteau, c’est-à-dire de la cellule lithium-ion, sont la cathode, l’anode, le séparateur et l’électrolyte. Non seulement il faut utiliser des ingrédients de bonne qualité et bien doser leur quantité, mais il faut également savoir comment les incorporer et les associer, car tous les fours ne sont pas identiques. La composition des principaux ingrédients, densité de puissance, sécurité, durée de vie, etc., font l’objet de recherches dans le centre de compétence axé sur la batterie pour véhicule électrique. Le laboratoire peut ainsi approfondir les connaissances disponibles, suivre les différentes tendances concernant la batterie pour véhicule électrique du futur et élaborer ses propres développements. Dans le même temps, le BMW Group peut déterminer ce que proposent les fournisseurs sur le plan des formats de batterie, des matériaux et des conditions mises en place. La gestion durable de ces composants a pour le BMW Group une grande valeur.

Réduction des émissions de CO2

« En tant que précurseur dans le domaine du développement durable, notre voix a beaucoup de poids auprès des fournisseurs de batteries, et nous en tirons parti. Nous avons déjà convenu de manière contractuelle avec nos fabricants de batteries que ces derniers n’utiliseraient plus que de l’électricité verte pour la production de notre cinquième génération de batteries pour les voitures électriques. Nous utiliserons cette technologie dès cette année sur le BMW iX3, puis nous l’étendrons à notre gamme qui comprendra l’année prochaine les BMW iNEXT et i4. Avec l’augmentation des volumes, l’utilisation d’électricité verte permettra d’économiser environ 10 millions de tonnes de CO2 au cours des 10 prochaines années. À titre de comparaison, c’est à peu près la quantité de CO2 qu’une ville de plus d’un million d’habitants comme Munich émet », explique Oliver Zipse, président du conseil d’administration de BMW. Le centre de compétence est donc le lieu où voit le jour le prototype d’une batterie pour véhicule électrique qui répond aux exigences des BMW d’aujourd’hui et de demain.

La fabrication : les principales matières premières

Dans son propre laboratoire, le BMW Group effectue des recherches sur la composition des matériaux actifs d’une batterie et sur leurs proportions. La cathode, le pôle plus, se compose de nos jours d’oxydes de lithium, nickel, manganèse et cobalt. L’anode, le pôle moins, est faite de graphite. Lors de la production des matières premières, et en particulier de l’extraction des plus importantes, telles que le lithium et le cobalt, le respect des normes environnementales et des droits de l’homme est une priorité absolue pour le BMW Group. Une production et une exploitation éthiques des matières premières commence pour l’entreprise dès le début de la chaîne de valeur, dans les mines d’extraction. C’est pourquoi le BMW Group a restructuré ses chaînes d’approvisionnement pour sa prochaine génération de batterie pour véhicule électrique, la cinquième. C’est ainsi qu’à partir de 2020, l’entreprise achètera le cobalt et le lithium sans intermédiaires et qu’elle fournira les matières premières directement à ses fabricants de batteries.

À l’avenir, le cobalt acheté par BMW viendra directement de mines situées en Australie et au Maroc, le lithium proviendra entre autres d’Australie également. Cela permettra d’offrir 100% de transparence quant à l’origine de ces deux matières premières essentielles. En outre, le BMW Group s’est associé à BASF SE, Samsung SDI et Samsung Electronics pour mettre en place le projet pilote « Cobalt for Development », une initiative intersectorielle en République Démocratique du Congo. Son objectif est d’améliorer les conditions de travail des personnes dans une mine de cobalt d’une petite exploitation minière. Les entreprises qui y prennent part ont mandaté pour 3 ans la Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit GmbH (GIZ, agence allemande de coopération internationale pour le développement) afin qu’elle étudie comment les conditions de vie et de travail dans cette mine et dans les communes environnantes peuvent être améliorées. Si ce projet est une réussite, l’approche pourra être appliquée sur le long terme à d’autres mines de petite taille, non industrielles.

La vie d’une batterie dans un véhicule

Ensuite commence la phase décisive dans la vie d’une batterie­ : l’utilisation dans un véhicule. D’ici à 2023, le BMW Group prévoit d’étendre sa gamme de véhicule équipés d’un moteur électrique à 25 modèles (➜ lisez également : Hybride rechargeable et autres voitures électriques), dont plus de la moitié seront entièrement électriques. L’optimisation de la batterie pour véhicule électrique de ces nouveaux modèles est donc une priorité absolue. Sur ce plan, la question n’est pas la taille, mais la technologie, ou plus précisément l’efficience. Un nouveau véhicule électrique BMW dispose déjà d’une autonomie allant jusqu’à 600 kilomètres entre deux branchements à une borne de recharge de véhicules électriques. Et la tendance est à l’augmentation de cette valeur. La durée de vie d’une batterie dépend avant tout du comportement du conducteur dans l’utilisation de sa voiture : une charge rapide sollicite plus fortement la batterie qu’une charge normale par exemple.

En outre, la température ambiante, le nombre de cycles de charge, la profondeur de décharge et l’âge de la batterie sont des facteurs qui ont une influence sur la vie de la batterie. Avec une batterie BMW, les attentes en matière de cycle de vie sont largement dépassées. C’est pourquoi, pour la garantie de 8 ans des BMW i3, le BMW Group a décidé d’étendre le kilométrage maximal en Europe de 100000 à 160000 kilomètres. Après des années de bons et loyaux services dans un véhicule électrique BMW, le cycle de vie n’est pas pour autant terminé. Mais que faire de la batterie d’un véhicule électrique (➜ lisez également : Sous la loupe : 10 mythes sur les voitures électriques) quand elle ne peut plus répondre aux exigences de la conduite automobile, mais qu’elle offre toutefois encore 70 à 80% de son énergie originelle ?

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Dans les 12 000 mètres carrés de son centre de compétence axé sur la batterie pour véhicule électrique, le BMW Group optimise la technologie des batteries du futur pour véhicules électriques, ainsi que leurs processus de production. Un collaborateur contrôle ici le dosage et le mélange de la pâte d’électrode dans le laboratoire.
Dans les 12 000 mètres carrés de son centre de compétence axé sur la batterie pour véhicule électrique, le BMW Group optimise la technologie des batteries du futur pour véhicules électriques, ainsi que leurs processus de production. Un collaborateur contrôle ici le dosage et le mélange de la pâte d’électrode dans le laboratoire.
Dans les cellules lithium-ion d’une batterie pour véhicule électrique BMW, les électrodes doivent être enduites afin de pouvoir accumuler puis céder du lithium. Pour cela, une pâte est déposée sur le matériau actif d’une feuille d’électrode en cuivre ou en aluminium.
Ensuite, la feuille d’électrode pour batterie de voiture est enduite et séchée dans les installations de recherche ultramodernes du centre de compétence.
Cette feuille d’électrode pour batterie est ensuite comprimée dans un laminoir.
À l’aide des robots high-tech du centre de compétence, les cellules de la batterie pour véhicule électrique sont soudées.
L’impact environnemental et le développement durable sur le plan social de l’extraction des matériaux, de leur exploitation jusqu’au recyclage des matières premières utilisées au cours du cycle de vie d’une batterie lithium-ion, sont des éléments essentiels pour le BMW Group.
Le centre de compétence du BMW Group au nord de Munich, axé sur la batterie pour véhicule électrique. S’y déroulent des recherches sur la durée de vie d’une telle batterie, sur le recyclage des batteries lithium-ion et sur la réutilisation durable des matières premières.

Il ne faut pas juger d’après les apparences. C’est ce que rappelle un conteneur de 26 mètres de long et près de 6 mètres de large dans le port de Hambourg. Ce qu’il contient ? 2600 modules de batterie auxquels on « offre » une seconde vie après les avoir utilisés dans une voiture électrique BMW. Ces batteries ont une nouvelle vocation, celle d’accumulateurs d’énergie stationnaires. L’énergie qu’elles concentrent est disponible en quelques secondes et maintient le réseau électrique stable. Mais qu’est-ce que cela signifie au juste ? À tout moment de la journée, du courant est injecté dans le réseau à hauteur de ce dont les consommateurs ont besoin. Pour y parvenir, une prévision est établie toutes les 15 minutes. Les centrales électriques qui doivent couvrir la demande sont ensuite définies. La part de l’électricité éolienne et solaire a la « priorité » dans la plupart des pays. Mais ces sources d’énergie sont tributaires de la météo et ne sont donc pas 100% prévisibles.

« C’est là que les accumulateurs entrent en jeu, comme les batteries dont c’est la ʹseconde vieʹ », explique Daniel Hustadt, chef de projet chez le fournisseur d’énergie Vattenfall et responsable du développement technologique. « Ils servent à compenser les variations du réseau, afin de garantir l’équilibre entre l’offre et la demande. S’il y a trop de courant dans le réseau, en raison de variations dans la production ou dans la demande, les batteries stockent l’excédent. S’il manque du courant, les batteries en fournissent. Et cela en quelques secondes ! » Cela prend environ 10 ans avant que cette seconde vie épuise totalement l’énergie contenue dans une batterie pour véhicule électrique et que cette dernière soit recyclée. La grappe d’accumulateurs sur le site de l’usine de Leipzig du BMW Group prouve qu’environ 700 batteries de BMW i3 peuvent encore être utiles après leur utilisation dans le véhicule. Employées comme accumulateurs tampons d’énergies renouvelables, elles stockent de l’électricité et permettent ainsi de réduire les coûts de l’énergie dans l’optique d’une production durable.

Un bruit assourdissant remplit l’atelier. Trois collaborateurs ouvrent les modules de batterie avec leurs fraiseuses afin d’atteindre les couches vraiment utiles, qui comportent les matières premières. L’enveloppe d’aluminium, les électrodes et le séparateur sont ensuite déchiquetés en petits morceaux dans une broyeuse spéciale. Cette dernière est alimentée par le courant déchargé par les batteries et elle peut broyer jusqu’à 500 kilogrammes de matériau par heure. Nous nous trouvons au cœur de Duesenfeld, entreprise du secteur de la chimie située en Basse-Saxe en Allemagne. Avec entre autres Northvolt et Umicore, c’est l’une des entreprises qui est capable de recycler presque entièrement une batterie lithium-ion issue d’une voiture électrique BMW.

Différents procédés sont employés pour cela. Une batterie pour véhicule électrique peut être broyée, mais elle peut aussi être chauffée à très hautes températures dans un four, par procédé pyrométallurgique, de sorte que les métaux qu’elle contient fondent et puissent être séparés. L’électromobilité n’est durable que si les batteries peuvent être réutilisées. Pour que la boucle du cycle de vie des matériaux se referme de la meilleure des manières, les matières premières doivent être entièrement recyclées. Pour cela, il faut revenir sur le lieu de naissance de la batterie : le centre de compétence du BMW Group axé sur la batterie pour véhicule électrique. En effet, c’est dès le développement de la batterie que BMW se fait une idée de la réutilisation durable des matières premières en lien avec le processus de recyclage. Et la boucle est bouclée.

Photos : BMW ; Illustration : Bratislav Milenkovic ; Auteur : Markus Löblein