Lorsqu'on évoque la voiture électrique, la durée de vie des batteries est certainement le sujet qui fait le plus parler - après l'autonomie, bien évidemment. Il faut dire que cette pièce est non seulement essentielle, mais qu'elle est aussi l'objet de tous les fantasmes.
Si cet article n'a pas vocation à donner une réponse chiffrée et indiscutable, il apporte en revanche de premiers éléments pour estimer la durée de vie théorique et réelle des batteries. Des éléments indispensables pour démystifier les véhicules électriques et adopter de bons comportements d'usage.
Comment fonctionne une batterie de voiture électrique ?
Les batteries de voiture électrique, tout le monde en parle. Elles seraient tantôt polluantes, d'autres fois pas suffisamment puissantes. Au-delà de ces considérations, il convient avant tout de comprendre leur fonctionnement afin d'être en mesure d'appréhender leur durée de vie. On s'y essaye, en tâchant d'être aussi pédagogue que possible.» Lire aussi » Les véhicules électriques sont-ils vraiment plus polluants que les voitures essence ?
Au cœur de la batterie lithium-ion
Avant de s'intéresser à la durée de vie d'une batterie de voiture électrique, une première étape s'impose : comprendre son fonctionnement. Après avoir misé sur les technologies Nickel Cadmium (NiCd) et Nickel Métal-Hydrure (Ni-MH), les véhicules électriques embarquent désormais - pour leur grande majorité - une batterie lithium-ion. Commercialisée à partir des années 1990, elle repose sur un fonctionnement similaire à celui de la batterie plomb-acide, la technologie incontournable des véhicules thermiques.Son principe ? Faire circuler des électrons afin de créer une différence de potentiel entre deux électrodes : une positive (la cathode) et une négative (l'anode), la première étant généralement composée d'un oxyde de métal, la seconde de graphite. Cette réaction est rendue possible grâce à un liquide conducteur, appelé électrolyte et assurant le transfert d'ions de lithium (ions Li+), dans lequel les électrodes sont immergées. Lorsque la batterie est en fonctionnement, les ions Li+ sont repoussés de l'électrode négative avec laquelle ils n'ont pas d'affinité et sont attirés par l'électrode positive : c'est la phase de décharge. A contrario, l'ion Li+ est relâché par l'anode en phase de recharge, avant de s'insérer au niveau de la cathode.
Un nombre de cellules qui a son importance
Les batteries lithium-ion se composent d'un certain nombre de cellules, chacune d'entre elles reproduisant la réaction décrite plus haut afin de créer une différence de potentiel. Elles sont reliées entre elles et chapeautées par un circuit électronique qui coordonne leur production d'électricité. Les performances de la batterie vont principalement dépendre du nombre de cellules embarquées, de leur taille et de la façon dont elles sont réparties. Ce sont ces trois éléments qui vont principalement déterminer :- la capacité de la batterie, exprimée en kWh dans l'automobile, qui correspond à la quantité d'électricité qu'elle peut emmagasiner ;
- et son intensité, exprimée en ampère de symbole A, qui correspond à la charge électrique qu'il est possible de délivrer pendant une seconde.
Une densité énergétique élevée, une faible résistance aux cycles complets
Si les batteries lithium-ion sont devenues la norme sur les voitures électriques - du moins actuellement -, c'est principalement car elles possèdent une haute densité d'énergie. Cela signifie que le rapport entre la capacité de stockage et le poids (ou l'encombrement) est très élevé, indispensable pour les systèmes embarqués. Cette énergie massique est de l'ordre de 300 à 500 Wh/kg sur une batterie lithium-ion, soit jusqu'à 10 fois plus que sur une batterie plomb-acide (1). Autrement dit, la batterie sera moins lourde ou moins volumineuse pour une capacité équivalente. En plus de ne pas demander de maintenance, cette technologie présente l'avantage d'avoir une faible auto-décharge, à savoir une réduction progressive du niveau de charge en l'absence d'utilisation du véhicule. Notons enfin que les batteries lithium-ion se distinguent aussi par un effet mémoire limité, permettant de les recharger - alors que la décharge n'est pas complète - sans les endommager.Malgré tout, les batteries lithium-ion des véhicules électriques ne sont pas exemptes de tout reproche. En plus d'être relativement coûteuses à fabriquer, principalement à cause de la rareté du lithium, elles supportent mal les cycles complets de charge et de décharge. Autrement dit, une décharge profonde - correspondant à une capacité totale inférieure à 5 % environ - va s'avérer destructrice et endommagera irrémédiablement ses performances. D'autres inconvénients sont aussi à noter (sensibilité à la température, dangerosité de l'électrolyte, etc.), mais ils sont généralement partagés par les autres principales technologies utilisées dans le monde automobile.
Quelle est la durée de vie d'une batterie de voiture électrique ?
À présent que nous savons - à peu près - comment fonctionne une batterie lithium-ion, place au sujet qui nous intéresse véritablement, sa durée de vie. Longévité théorique, retour d'expérience et facteurs de dégradation : on vous apporte les principaux éléments de réponse sur la question.1 000 à 1 500 cycles : la durée de vie théorique d'une batterie de voiture électrique
En moyenne, on estime que la durée de vie d'une batterie plomb-acide est de 4 à 5 ans. Mais qu'en est-il pour la batterie lithium-ion d'une voiture électrique ? Tout d'abord, il faut savoir qu'il est difficile de l'estimer en année - ce qui, dans une moindre mesure, s'applique aussi aux véhicules thermiques - car de nombreux paramètres entrent en jeu. Il est donc préférable d'aborder la question sous l'angle du nombre de cycles de décharge-recharge. Bien que ces chiffres soient discutables et qu'ils varient d'un modèle à l'autre, il est admis que la durée de vie d'une batterie de voiture électrique est actuellement comprise entre 1 000 et 1 500 cycles. Au-delà de ce seuil, les constructeurs considèrent que la capacité de stockage n'est plus que de 70 % à 80 % de ce qu'elle était à l'origine. Un pourcentage qui n'est plus suffisant, dans la mesure où il limite l'autonomie du véhicule, et qui nécessite alors le remplacement de la batterie.Une autre question se pose néanmoins : combien d'années faut-il pour réaliser ces 1 000 à 1 500 cycles ? À en croire les constructeurs, la durée moyenne tournerait aux alentours de 10 ans en condition d'usage « classique ». Pour tenter d'y répondre par nous-même, prenons l'exemple de la nouvelle Renault Zoé embarquant une batterie d'une capacité de 52 kWh, dont la consommation théorique est d'environ 17 kWh/100 km et qui n'est rechargée que sur une plage allant de 20 à 80 % de la capacité de la batterie afin de limiter les cycles complets de décharge-recharge (qui sont nocifs comme nous l'avons déjà abordé). Sachez d'ailleurs que Renault recommande même d'avoir des cycles de recharge-décharge compris entre 30 et 80 %, ne permettant donc d'utiliser que la moitié de la capacité de la batterie. Pour revenir à notre exemple, l'automobiliste va donc exploiter au quotidien 31,2 kWh (60 % de 52 kWh), ce qui lui permet - théoriquement une fois encore - de parcourir environ 184 kilomètres à chaque cycle. Dans l'hypothèse où il parcourt 20 000 kilomètres à l'année, il réalisera environ 109 cycles annuels pour atteindre ce kilométrage. Si la durée de vie est de 1 250 cycles par exemple, la batterie pourra être utilisée pendant plus de 11 ans avant de franchir le seuil d'obsolescence (compris entre 70 et 80 % de la capacité originelle de la batterie), soit près de 230 000 kilomètres. Un chiffre qui devrait rassurer les potentiels acheteurs, et ce, malgré des conditions d'attribution du bonus écologique plus strictes depuis 2020.
Rappelons-le une fois encore : ce calcul n'a rien d'une vérité absolue. Il tend simplement à donner un ordre d'idée de la durée de vie théorique d'une batterie lithium-ion, tout en vous permettant de reproduire le calcul par vous-même. Nous avons conscience que de nombreux facteurs ne pourront pas être respectés dans la réalité (kilométrage quotidien, pourcentage de recharge et de décharge, etc.) et que certains éléments impacteront les performances de la batterie (conditions climatiques, style de conduite, vitesse moyenne, etc.). Cet exercice nous apporte toutefois un enseignement : la durée de vie de la batterie sera généralement supérieure à celle de la voiture électrique. Un constat qui devrait rapidement se démocratiser, dans la mesure où les constructeurs espèrent rapidement atteindre un nombre théorique de cycles aux alentours de 2 000.
Une batterie lithium-ion perdrait 2,3 % de sa capacité chaque année
Pour espérer avoir des résultats un peu plus concrets quant à la durée de vie des batteries, partons du côté du Canada. C'est là que se trouve Geotab, une entreprise spécialisée dans la gestion de flottes automobiles. Pourquoi nous intéresse-t-elle ? Tout simplement car elle vient de développer un outil analysant la dégradation des batteries lithium-ion, et ce, grâce aux informations collectées sur plus de 6 300 voitures électriques appartenant à des flottes, soit l'équivalent de 1,8 million de journées de données. Au total, 21 modèles distincts et de différentes années ont été analysés, allant de la Tesla Model S de 2017 au Kia Soul EV de 2018, en passant par le Renault Kangoo Z.E. de 2014 (2).Grâce à cet outil, baptisé EV Battery Degradation Comparison Tool, il est possible d'avoir un retour d'expérience sur l'état de la batterie à l'issue d'une certaine période d'utilisation réelle - et non plus théorique comme précédemment. Premier enseignement : sur les différents véhicules analysés, la capacité de la batterie diminue en moyenne de 2,3 % par an. Il convient toutefois de prendre ce chiffre avec des pincettes, dans la mesure où la durée d'analyse n'est jamais allée au-delà de 5 années. Ainsi, rien ne nous dit qu'au bout de 7 à 8 ans par exemple, la capacité de stockage ne décroit pas de façon spectaculaire. En revanche, cela permet d'estimer que la capacité de la batterie tourne encore en moyenne aux alentours de 90 % au bout de 5 ans. Autant de résultats qui semblent confirmer que la durée de vie d'une batterie de voiture électrique pourrait bel et bien être de 10 ans en moyenne, soit la période nécessaire pour que la capacité ne soit plus que de 70 à 80 % de ce qu'elle était initialement. Geotab confirme d'ailleurs également que la plupart des batteries pourront survivre aux véhicules qui les embarquent.
Il serait cependant trop facile d'avancer ce chiffre sans tenir compte de toutes les exceptions que Geotab a relevées. À titre d'exemple, 5 modèles sortent du lot grâce à une très faible dégradation de la batterie après 2 ans :
- le Kia Soul EV de 2017 (la capacité de sa batterie est encore de 99,1 % après 2 années d'utilisation) ;
- le Renault Kango Z.E. de 2014 (98,3 %) ;
- la Volkswagen e-Golf de 2017 (97,7 %) ;
- et les Tesla Model X et Model S de 2017 (respectivement 97,6 et 97,4 %).
En revanche, d'autres véhicules sont loin d'être exemplaires, à l'image de la BMW i3 de 2017 qui perd 5,9 % de capacité de stockage après seulement un an. La version de 2018 s'en sort toutefois mieux avec une baisse de seulement 1,6 % sur la même période (3). Une nouvelle preuve que toutes les batteries ne semblent pas égales en la matière.
Température et cycle d'utilisation : deux facteurs importants de dégradation
Nous avons désormais deux éléments qui nous permettent de mieux estimer la durée de vie d'une batterie lithium-ion : elle peut être utilisée pendant 1 000 à 1 500 cycles et perd en moyenne 2,3 % de sa capacité chaque année. Mais là où le bât blesse, c'est que de nombreux facteurs vont impacter ces deux données chiffrées. Certains, dont on se doutait déjà, ont d'ailleurs été confirmés par Geotab à travers son étude.- La température d'utilisation : tout comme pour les batteries plomb-acide, la chaleur va avoir tendance à faire chuter la capacité de la batterie lithium-ion, et ce, de façon permanente. D'où l'importance de ne pas stationner son véhicule en plein soleil notamment. En plus de valider ce constat, Geotab nous apprend que les batteries embarquant un système de régulation thermique efficace présentent une dégradation plus lente. En revanche, le froid va simplement impacter l'autonomie immédiate mais n'aura pas d'effet sur la durée de vie de la batterie.
- La charge et la décharge : comme nous l'avons déjà abordé, les cycles complets de recharge et de décharge accélèrent considérablement l'usure de la batterie lithium-ion. En plus de recommander de ne pas dépasser certains seuils (entre 20 et 80 % en règle générale), les constructeurs ont souvent tendance à conserver un certain pourcentage non utilisable afin d'éviter les charges extrêmes. À titre d'exemple, la Tesla Model S dispose d'une batterie de 102 kWh, dont la capacité d'utilisation est limitée à 98 kWh. Il est également recommandé d'éviter les charges rapides, ce que confirme Geotab, car elles ont tendance à accélérer la dégradation de la batterie, tout comme les recharges immédiates après une utilisation intensive du véhicule. Au moment de choisir la recharge de votre voiture électrique, il est donc préférable d'opter pour une prise renforcée à domicile.
- L'ancienneté du véhicule : si la dégradation de la capacité peut être linéaire dans certains cas, elle suit généralement un autre schéma. Bien souvent, on constate une chute initiale importante, avant que le rythme ne ralentisse. C'est finalement à l'approche de sa fin de vie qu'une nouvelle baisse significative est constatée. En revanche, un usage intensif de la voiture électrique ne semble pas avoir d'impact sur la durée de vie de la batterie. À en croire Geotab, la différence de dégradation serait minime entre un véhicule utilisé moins de 8 000 km par an et un autre plus de 20 000 km par an (4). À condition, une fois encore, de respecter une plage de recharge-décharge comprise entre 20 et 80 % en moyenne.
Voilà pourquoi l'achat d'une voiture électrique d'occasion reste si aléatoire, dans la mesure où il est impossible de savoir comment l'ancien propriétaire a utilisé son véhicule. Heureusement, le SOH (State of Health) peut donner des indications quant à l'état de santé de la batterie.
Quel avenir pour la batterie d'une voiture électrique ?
La vie d'une batterie ltihium-ion ne s'arrête cependant pas totalement après ces 1 000 à 1 500 cycles de recharge-décharge. Si le recyclage est un sujet qui fait débat, c'est surtout la réutilisation qui semble pouvoir offrir une seconde vie aux batteries lithium-ion. Une seconde vie dont elles doivent profiter, tant elles pourraient rapidement être poussées vers la sortie.Ces initiatives qui prolongent la durée de vie des batteries
Une fois que sa capacité n'est plus suffisante pour les besoins de la voiture électrique, la batterie lithium-ion dispose désormais de plus en plus d'une seconde vie. Si le recyclage pour réutiliser ses matériaux est une solution envisageable, celle-ci n'est pas encore si démocratisée en raison de son coût. Voilà pourquoi les industriels convertissent davantage les batteries en solution de stockage d'électricité dans un premier temps, sur le principe de l'économie circulaire. En la matière, plusieurs initiatives - à défaut d'être philanthropiques - méritent d'être notées pour leur ingéniosité.- UEX236 : derrière ce nom de code se cache un démonstrateur industriel géré par la SNAM (Société Nouvelle d'Affinage des Métaux) qui est en mesure de diagnostiquer l'état des batteries afin de réutiliser les meilleures pour une seconde vie.
- Renault : le constructeur français réutilise certains packs de cellule pour du stockage d'énergie renouvelable, provenant notamment d'éoliennes et de panneaux photovoltaïques. L'objectif ? Prolonger la durée de vie des batteries de 5 à 10 ans supplémentaires. D'autres utilisations sont également en projet, tout particulièrement pour le remplacement de groupes électrogènes ou pour pallier aux coupures d'électricité.
- xStorage Home : géré par Nissan, ce dispositif prévoit lui aussi le stockage d'énergie solaire. Mais les batteries en fin de vie de la marque sont aussi utilisées pour stocker de l'électricité durant les heures creuses, avant de la restituer durant les heures de pointe.
Malgré ces différentes initiatives, la situation est loin d'être rose. Pourquoi ? Après leur seconde vie vient le moment du recyclage. Or, la réglementation actuelle n'impose de recycler que 50 % du poids de la batterie. Le reste ? Il est détruit, brûlé, voire même enfouis. Une situation d'autant plus inquiétante que - à en croire Christel Bories, la présidente du Comité stratégique de filière mines et métallurgiques - le tonnage de batteries à recycler en Europe devrait être multiplié par trois d'ici 2027 (5).
Et si la batterie lithium-ion était déjà sur la fin ?
Plus le temps passe, plus le prix des batteries lithium-ion diminue grâce à l'effet d'échelle. Dans le même temps, leur capacité ne cesse de progresser, la Tesla Model S revendiquant même 100 kWh. Et pourtant, cette technologie n'a jamais semblé aussi proche de la fin. Il faut dire que plusieurs alternatives commencent à pointer le bout de leur nez et que les constructeurs y croient dur comme fer, à l'image de BMW qui a investi 200 millions d'euros pour ouvrir son nouveau centre dédié aux batteries du groupe (6). Ce sont d'ailleurs trois technologies en particulier qui pourraient incarner l'avenir.- La batterie tout-solide : à la différence des batteries traditionnelles, plomb-acide comme lithium-ion, l'électrolyte n'est pas une solution liquide, mais bel est bien une plaque de verre ou de gel. En plus de se passer de métaux onéreux, dont le cobalt, cette technologie offrirait une bien meilleure densité énergétique et une plage de température d'utilisation multipliée jusqu'à 6 fois (de - 20 à 100 °C). Mais surtout, la batterie tout-solide diminuerait le poids et le prix des véhicules électriques (car moins chère à produire), tout en augmentant fortement l'autonomie. Toyota et Volkswagen ont d'ailleurs déjà annoncé qu'ils comptaient utiliser ce type de batterie à l'horizon 2025.
- La batterie sodium-ion : comme son nom le laisse entendre, cette batterie vise à remplacer le lithium par du sodium au sein des électrodes. Son principal avantage ? Réduire le coût de production de 30 % au maximum, étant donné que le sodium est beaucoup plus abondant sur Terre. En revanche, la batterie sodium-ion ne sera pas en mesure d'offrir la même densité énergétique. Autrement dit, elle devra être beaucoup plus volumineuse ou lourde qu'une batterie lithium-ion pour offrir la même capacité de stockage. Raison pour laquelle, selon toute vraisemblance, cette technologie devrait davantage être employée pour des applications stationnaires ou du stockage énergétique.
- La batterie lithium-soufre : pour schématiser, une telle batterie dissout le lithium au contact de l'électrode négative lors de la décharge, le soufre étant transformé en différents matériaux. Son principal avantage est d'utiliser des matières actives très légères. Conséquences ? La densité énergétique d'une batterie lithium-soufre est jusqu'à 4 fois plus importante que celle d'une batterie lithium-ion. Il serait ainsi possible de considérablement réduire le volume ou le poids de la batterie, tout en augmentant sa capacité. Cette technologie est néanmoins la plus incertaine car elle n'est pas la plus investie par les industriels, notamment car la vitesse de dégradation de sa capacité semble devoir être très importante.
(1) Voiture électrique : comment fonctionne la batterie lithium-ion ? - Easy Electric Life - 2019
(2) Geotab introduces EV Battery Degradation Tool, providing assessment and comparison of electric vehicle battery life - Geotab - 2020
(3) EV Battery Degradation Comparison Tool - Geotab - 2020
(4) What can 6,000 electric vehicles tell us about EV battery health? - Geotab - 2019
(5) Véhicules électriques : 700 000 tonnes de batteries à recycler en 2035 - Le Parisien - 2019
(6) A Munich, BMW prépare les batteries du futur - Automobile Propre - 2019
