Avec la transition vers des solutions de mobilité bas-carbone, le choix des batteries joue un rôle essentiel dans l’avenir des véhicules électriques. Les batteries LFP (Lithium Fer Phosphate) et NMC (Nickel Manganèse Cobalt), dénommées toutes les deux par la composition de leur cathode, sont deux des principales technologies Lithium-Ion sur le marché, chacune avec ses avantages et inconvénients. Comprendre leurs différences permet d’identifier la meilleure solution en fonction des besoins de chaque application.
Les batteries LFP : une technologie durable et sécurisée
Pour revenir aux origines de la batterie LFP, trois brevets majeurs concernant cette technologie ont été déposés il y a plus de 20 ans. Le premier a été publié par le père des batteries au lithium-ion, l’Américain et prix Nobel de chimie, John B. Goodenough, avec son équipe de l’Université du Texas en 1997, qui a notamment identifié le phosphate de fer lithié (LiFePO4) comme cathode pour les batteries au lithium-ion. Deux autres brevets ont été déposés dans les années 2000 par Hydro-Québec et le CNRS pour améliorer la conductivité et la production de la cathode de cette batterie. Ces brevets mondiaux ont été proposés sous licence d’exploitation par la société LiFePO4+C, un consortium comprenant l’Université de Montréal, Hydro-Québec, le CNRS et Johnson Matthey.
Cette technologie sera finalement délaissée par les Occidentaux, la Corée du Sud et le Japon au profit du NMC, offrant une densité énergétique plus élevée (environ 175Wh/kg pour le LFP contre 245Wh/Kg pour le NMC). Dans le même temps, des acteurs chinois, soutenus financièrement par leur gouvernement, seront les seuls à continuer à améliorer le LFP, dans un premier temps pour le marché interne. Le LFP fait désormais son retour en force à l’échelle mondiale, grâce à ses avantages considérables : son coût permet de proposer des véhicules électriques d’entrée de gamme plus abordables, et sa durée de vie répond aux besoins des véhicules industriels à forte valeur ajoutée.
Les batteries LFP sont particulièrement reconnues pour leur sécurité et leur longévité, en grande partie grâce à leur chimie. Utilisant du phosphate de fer lithié (LiFePO4) pour la cathode, elles présentent une plus grande stabilité thermique que les autres batteries lithium-ion. Leur température critique, à partir de laquelle l’auto-échauffement se déclenche, est nettement plus élevée. Cette stabilité thermique découle de la chimie spécifique du LFP, qui ne libère pas d’oxygène en cas d’emballement thermique, réduisant ainsi considérablement le risque d’incendie.
D’après un rapport sur la transition énergétique et les mobilités bas-carbone publié par le Commissariat général au développement durable (CGDD), les batteries LFP sont à privilégier pour les véhicules électriques en raison de leur durée de vie importante (environ 4000 cycles) et de leur impact environnemental moindre. Le rapport met en lumière que ces batteries, dépourvues de métaux rares comme le cobalt ou le nickel, sont non seulement plus sûres mais également plus respectueuses de l’environnement, favorisant une économie circulaire plus robuste dans le secteur des batteries.
Les batteries LFP sont ainsi moins sujets à la volatilité des prix et aux risques d’approvisionnement des métaux comme le cobalt et le nickel et leur coût est moins élevée que le NMC.
Cette technologie de batterie, encore méconnue il y a quelques années, est particulièrement intéressante pour des véhicules industriels qui nécessite une longue durée de vie avec un rapport puissance / énergie embarqué faible. C’est aussi une technologie très intéressante pour les véhicules intermédiaires où la priorité est donné au prix plutôt qu’à l’autonomie.
Composants clés :
Quelles sont les caractéristiques techniques de la batterie LFP ?
- Densité énergétique: Autour de 175 Wh/kg au niveau cellule
- Plage de tension : 2V ou 2,5V jusqu’à 3,65V au niveau cellule
- Température de fonctionnement : De – 20°C à 65° en décharge, la charge doit se faire à une température supérieure à 0°C
La tension de la cellule LFP en fonction de l’état de charge évolue très peu entre 10 et 90% de charge, ce qui est un vrai challenge pour l’électronique d’estimer au mieux son état de charge (SoC). C’est pour cela qu’il est souvent recommandé de charger entièrement sa batterie LFP de manière régulière pour éviter des erreurs de calcul et calibrer au mieux l’état de charge.
Quels sont les avantages de la batterie LFP ?
- Sécurité accrue : Comparées aux autres batteries Lithium-ion (comme le NMC), les batteries LFP sont moins susceptibles de surchauffer ou de provoquer des incendies. Elles sont à privilégier dans des applications risquées comme l’aéroportuaire.
- Longue durée de vie : Elles ont une durée de vie plus longue, avec un plus grand nombre de cycles de charge-décharge (autour de 4000 cycles).
- Stabilité thermique : les batteries LFP sont plus stables thermiquement, ce qui les rend adaptées à des environnements à haute température ou à une conception plus simplifiée sans refroidissement liquide par exemple.
- Écologique : L’absence de métaux rares comme le cobalt ou le nickel les rend plus respectueuses de l’environnement.
Quelles sont les applications des batteries LFP ?
- Véhicules électriques : Les batteries LFP sont largement utilisées dans les véhicules électriques en Chine comme BYD et commence à l’être en Europe comme la Tesla Model 3.
- Véhicules industriels : Elles deviennent de plus en plus utilisées dans les véhicules industriels nécessitant une longue durée de vie sans avoir besoin d’une forte densité énergétique.
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Les batteries NMC : une technologie premium faite pour la performance
Les batteries NMC (Nickel Manganèse Cobalt) sont largement utilisées dans les véhicules électriques en raison de leur haute densité énergétique. Elles permettent de stocker plus d’énergie dans un espace plus réduit, offrant ainsi une meilleure autonomie pour les véhicules.
Selon un compte-rendu du pôle de compétitivité CARA, les batteries NMC seront de plus en plus un choix pour les voitures électriques haut de gammes. Leurs performances sont en effet largement supérieures en termes de densité énergétique et de densité de puissance, bien que cela se fasse au détriment de la stabilité thermique avec la nécessité d’installer des systèmes de refroidissement de plus en plus complexes et coûteux comme l’immersion. Les cellules NMC ont également un coût plus important à cause de la dépendance à des matériaux comme le cobalt.
Tout l’enjeu est désormais de réduire la quantité de Cobalt dans les batteries NMC avec, en contrepartie, l’inconvénient d’augmenter le taux de Nickel qui augmente l’instabilité thermique de la batterie.
Composants clés :
Quelles sont les caractéristiques techniques de la batterie NMC ?
- Densité énergétique: Autour de 245 Wh/kg au niveau cellule
- Plage de tension : 2,75V jusqu’à 4,35V au niveau cellule
- Température de fonctionnement : De – 20°C à 55° en décharge, la charge doit se faire à une température supérieure à 0°C
Contrairement aux batteries LFP, la tension de la cellule NMC évolue de manière régulière en fonction de l’état de charge (SOC), permettant facilement à l’électronique d’estimer l’état de charge. A l’inverse, lorsque la batterie se décharge, la tension globale diminue également, le courant doit alors augmenter pour garder le même niveau de puissance.
Quels sont les avantages des batteries NMC ?
- Haute densité énergétique : Les batteries NMC sont capables de stocker une grande quantité d’énergie pour un poids ou un volume donné, ce qui les rend idéales pour des applications nécessitant des auonotmies élevées.
- Bon équilibre entre puissance et capacité : Elles offrent un bon compromis entre la puissance (capacité à fournir de l’énergie rapidement) et la capacité (quantité totale d’énergie stockée).
Applications des batteries NMC
- Véhicules électriques : C’est l’une des batteries les plus couramment utilisées dans l’industrie automobile en raison de sa densité énergétique permettant de proposer de forte autonomie.
- Compétition automobile : grâce à sa forte densité de puissance et aux systèmes de refroidissement de plus en plus perfectionnés, c’est la chimie de référence pour la compétition automobile.
Les batteries NMC : un équilibre entre puissance et densité énergétique
Pour les véhicules professionnels et industriels nécessitant une longue durée de vie, les batteries LFP offrent une solution robuste, durable et plus abordable. En revanche, les batteries NMC sont préférées dans les segments nécessitant des performances élevées et une plus grande autonomie, comme les voitures électriques haut de gamme.
Tableau comparatif :
Les batteries LFP et NMC représentent des solutions complémentaires dans la transition vers des mobilités plus durables. Le choix entre ces deux technologies dépendra largement des priorités de chaque projet, qu’il s’agisse de sécurité, d’autonomie ou de coût. Alors que les batteries LFP se positionnent comme une solution plus écologique et sécurisée, les batteries NMC dominent les applications nécessitant des performances maximales.
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