2. Quelles sources d’énergie pour les véhicules électriques ?

Les différents types de batteries [2] [3] ayant équipé des véhicules électriques prototypes ou de série au cours des dernières décennies sont regroupés dans le tableau 2. Ces batteries sont caractérisées principalement par leur énergie (massique ou volumique), leur puissance, leur durée de vie et leur coût.

Le dimensionnement d’une batterie pour véhicule électrique devra permettre de répondre à un certain nombre d’exigences : d’une part, un niveau de performance respectable en termes de vitesse (sur route plate ou en montée à différents pourcentages) et d’accélération et, d’autre part, une autonomie permettant un rayon d’action suffisant tout en conservant au véhicule une habitabilité satisfaisante. Au point de vue de la consommation énergétique d’un véhicule particulier, on compte généralement 120 Wh/km/t, soit, pour un véhicule d’une tonne et demie, 18 kWh d’électricité embarquée pour une autonomie de 100 km, ce qui représente, en fonction de la technologie de batterie choisie, une masse et un volume de batteries embarquées respectivement de 150 à 500 kg et de 100 à 250 L.

Les réactions aux électrodes des différentes batteries en décharge sont rassemblées dans le tableau 3 (électrode positive) et le tableau 4 (électrode négative).

 Les batteries au plomb correspondent au système le plus étudié ; en effet, elles équipent, sous forme de batterie auxiliaire « 12 volts », les véhicules thermiques depuis plus d’un siècle et ont fait bénéficier les batteries de traction de leur évolution. Elles restent le système le moins cher produit industriellement avec une des meilleures durées de vie. Leur principal inconvénient est leur faible énergie massique. Cela s’est illustré avec la commercialisation de l’EV1 par General Motors qui a développé une voiture de forte puissance et de faible autonomie équipée de cette technologie. Ford et Chevrolet ont également commercialisé en 1998 des Pick-up de forte puissance et de relativement faible autonomie équipés de cette technologie de batterie, respectivement le Ford Ranger EV et le Chevrolet S10 Electric.

 Les batteries nickel-cadmium ont été choisies par les constructeurs automobiles français (PSA et Renault) pour équiper leurs véhicules commercialisés depuis fin 1995. Elles ont profité d’un développement conjoint entre ces constructeurs et SAFT, et présentent désormais des performances en puissance, énergie et durée de vie surpassant la technologie au plomb. Néanmoins, leur coût reste prohibitif pour une commercialisation de masse, et la toxicité du cadmium interdit son utilisation dans des pays tels que les États-Unis où cet élément semble banni.

 Les batteries nickel-hydrure de métal ont longtemps figuré comme les remplaçantes idéales des deux systèmes précédents. Elles possèdent des performances massiques et volumiques très supérieures aux technologies à base de plomb ou de cadmium et ont profité du développement de l’électrode à base de nickel utilisée dans le système précédent (Ni/Cd) ou pour les batteries Ni-hydrogène développées pour les applications spatiales. Leurs seuls problèmes actuels semblent être leur durée de vie encore faible pour une batterie de traction (à forte profondeur de décharge) et leur mauvaise tenue à la température élevée (spécialement en fin de charge). Cette technologie de batterie semble cependant avoir été adoptée par la plupart des constructeurs automobiles comme batterie de puissance. Elle fonctionne alors à faible profondeur de décharge, ce qui augmente considérablement sa durée de vie (nombre de cycles charge/décharge). Ce type de batterie, dans sa version traction, a équipé principalement les véhicules des constructeurs japonais commercialisé en 1998 : le RAV4 EV de Toyota, l’EV Plus de Honda et le Prairie de Nissan. Enfin des batteries de puissance de cette technologie équipent la Toyota Prius, le seul véhicule hybride thermique/électrique produit en masse à ce jour (entre son introduction en 1998 et mars 2002, 103 000 véhicules ont été vendus).

 Les batteries sodium-chlorure de nickel, principalement produites par la société allemande Zebra, sont des batteries « chaudes » fonctionnant à une température comprise entre 270 et 350 °C. Si elles possèdent des performances intrinsèques et un coût comparables à ceux des batteries nickel-hydrure de métal, la gestion thermique du système et l’isolation représentent un lourd handicap lorsque l’on considère le système dans son ensemble ainsi que son intégration.

 Les batteries zinc-air ont longtemps été considérées comme très prometteuses par les constructeurs automobiles, en particulier pour la facilité potentielle de leur recharge. En effet, deux types de recharges sont envisagés : mécanique, avec un remplacement physique du zinc, et électrique, avec une régénération électrochimique du zincate en zinc. En fait, aucun de ces deux types de recharges ne fonctionne réellement, la version mécanique pour des problèmes d’étanchéité et de régénération des cartouches de zinc, et la version électrique pour des raisons d’équilibre de matière. En effet, si une réaction a lieu à l’électrode négative (Zn), une autre réaction doit prendre place à l’électrode à air. La seule réaction possible dans ce système met en jeu la décomposition de l’eau de l’électrolyte, affectant les performances du système ou le complexifiant par l’addition d’une réserve.

 Les batteries lithium-ion demeurent l’espoir principal du véhicule électrique pur. En effet, seul ce système pourrait, dans l’état actuel des connaissances, permettre d’augmenter considérablement l’autonomie des véhicules électriques purs grâce à ses performances massiques et volumiques de capacité énergétique. Ce système présente la tension élémentaire la plus élevée (4 volt/élément, à comparer à 2 V, 1 V et 1,2 V pour respectivement les technologies plomb, Ni/Cd et Ni/MH_x). Cette haute tension élémentaire reflète la très haute réactivité du couple électrochimique mis en jeu et illustre un des inconvénients majeurs de cette technologie : la sécurité. En effet, un système élaboré de sécurité doit être associé à ce type de pile pour éviter tout dépôt de Li métal, lors de la recharge en particulier. Ce système doit gérer chaque élément séparément pour éviter tout déséquilibre de charge et établir un compromis idéal entre capacité résiduelle et sécurité. Ces systèmes de gestion, le plus souvent électroniques, tendent à augmenter considérablement le coût de la technologie. L’autre paramètre critique des batteries lithium-ion réside dans le compromis coût/durée de vie. En effet, pour obtenir des durées de vie raisonnables pour l’application véhicule électrique pur (supérieures à mille cycles), il faut ajouter à l’électrode positive des additifs augmentant dramatiquement le coût de la batterie. Des véhicules ont cependant déjà été produits, avec, en particulier, l’Altra EV de Nissan en 1998.

Parmi les sources d’énergie électrique actuelles, autres que les batteries et les piles à combustible, seuls les supercondensateurs [8] semblent présenter une maturité suffisante pour être intégrés à un véhicule électrique. Les supercondensateurs sont des systèmes électrochimiques de stockage d’énergie électrique dont les caractéristiques sont situées entre celles des condensateurs électriques et celles des accumulateurs électrochimiques. Leurs spécificités sont une grande cyclabilité et une densité de puissance élevée. Comme les batteries ou les piles à combustible, ils contiennent deux électrodes et un électrolyte ionique. Contrairement aux batteries, il n’y a pas de réactions électrochimiques aux électrodes mais un stockage de charges aux interfaces électrode/électrolyte ou une intercalation d’ions dans la structure de l’électrode sans qu’il y ait de réaction chimique. La charge dans l’électrode représente, dans la plupart des cas, un excès ou un défaut d’électrons. La charge en solution est constituée par un excès de cations ou d’anions au voisinage de la surface de l’électrode (figure 2).

Les caractéristiques principales sont résumées et comparées à des systèmes voisins dans le tableau 5.

Des travaux sont en cours sur les matériaux d’électrodes et d’électrolyte pour diminuer les coûts, augmenter la densité d’énergie tout en conservant la cyclabilité (durée de vie). De tels systèmes pourraient alors écrêter des pics de puissance de plusieurs minutes sur des véhicules électriques à batteries ou à pile à combustible, permettant de dimensionner au mieux ces sources d’énergie.