Voiture électrique : du graphite et du noir de carbone pour tenir la distance

La Commission européenne a dévoilé en décembre 2020 sa stratégie pour une mobilité durable. Son ambition de faire circuler 30 millions de voitures électriques sur les routes européennes d'ici 10 ans illustre bien le développement rapide et continu de ce secteur.

L’invention du moteur électrique remonte à la fin des années 1820, et les premières batteries rechargeables pour automobiles sont apparues en 1859. Mais ce n'est qu'au cours de la dernière décennie que les ventes se sont vraiment accélérées, passant d'environ 12500¹ voitures électriques dans le monde en 2010 à plus de 10 millions² aujourd'hui.

Certaines projections estiment que le nombre de véhicules électriques en circulation sur la planète pourrait atteindre 200 millions d’ici 2030.

Les voitures électriques contribuent à réduire notre empreinte carbone

Les recherches montrent que, tout au long de son cycle de vie, une voiture électrique produit moins d’émissions directes et donc moins d'impact sur le changement climatique que les véhicules à essence. Les réglementations strictes visant à réduire l'empreinte carbone du secteur des transports vont obliger les fabricants de batteries lithium-ion à passer à la vitesse supérieure. La qualité des ingrédients présents dans ces batteries contribue à renforcer l’attractivité des véhicules électriques.

Le rôle clé du noir de carbone et du graphite dans les batteries lithium-ion

Les minéraux ne produisent pas directement d'énergie, mais ils permettent à tous les autres composants actifs de la batterie de le faire.

Marcello Coluccia, Directeur des applications pour les batteries lithium-ion et les polymères conducteurs d'Imerys, compare le noir de carbone et le graphite, produits par Imerys respectivement en Belgique et en Suisse, « au sel et au poivre dans le plat principal ».

Ajoutés en infime quantité - moins de 1 % du total des matières premières - ils sont pourtant essentiels pour assurer une bonne conductivité électrique.

La batterie se compose d’un pôle positif (la cathode) constitué d’oxydes métalliques, et d’un pôle négatif (l'anode) en graphite. L’ajout de noir de carbone ou de graphite est facultatif à l’anode, mais obligatoire à la cathode.

« Sans cela, vous disposeriez de matériaux dotés d’un fort potentiel énergétique, mais leurs électrons ne pourraient pas trouver leur chemin de l’anode vers la cathode », explique Marcello. « Le noir de carbone permet d’exploiter l’énergie de la batterie en construisant un réseau conducteur pour que les électrons atteignent les particules d'oxyde métallique. »

Plus cet additif conducteur est performant, moins les fabricants de batteries ont besoin d’en ajouter.   

Une technologie adaptée aux besoins des automobilistes

Il y a dix ans, la capacité de la batterie était au centre des préoccupations.

« Les performances typiques des batteries limitaient la distance qui pouvait être parcourue avec une charge complète », précise Marcello. « Les conducteurs avaient peur de se retrouver bloqués - c’est ce qu’on appelle “l'angoisse de l'autonomie”. De plus, il y a eu des incidents liés à des dysfonctionnements de la batterie. Si les gens craignent qu'une voiture ne prenne feu, ils ne l'achètent pas. »

Alors, quelles qualités les automobilistes recherchent-ils dans une voiture électrique ?

Une autonomie améliorée 

Les batteries lithium-ion actuelles permettent de parcourir environ 400 kilomètres par charge. C’est à peu près quatre fois plus que les premiers véhicules électriques. Cette amélioration de l’autonomie est la conséquence d’une augmentation de la densité énergétique, obtenue soit avec des batteries plus grosses, soit grâce à des composants plus performants.

Une charge électrique rapide 

Lorsque votre batterie est faible, vous ne voulez pas avoir à la brancher pendant plusieurs heures dans une station-service en attendant qu’elle soit suffisamment rechargée pour vous amener à destination. Le design et les matières premières - y compris les minéraux - jouent un rôle essentiel dans le développement de batteries pour voitures électriques capables de se recharger à environ 80 % en 20 minutes seulement.

Un véhicule sûr

Les accidents liés à des batteries qui prennent feu ont été largement médiatisés. Cependant, la fréquence des incidents reste stable malgré l’augmentation rapide du nombre de véhicules électriques en circulation, ce qui contribue à la construction d’une réputation de mode de transport fiable.

« La sécurité repose sur l’agencement et la pureté des ingrédients dans le système de contrôle de la batterie », insiste Marcello. « Lorsque vous améliorez les performances d'une batterie, vous ne pouvez pas compromettre la qualité des matières premières et, par conséquent, la sécurité. » 

« Le noir de carbone et le graphite doivent être les plus purs possible pour offrir un niveau de sécurité optimal. Nous parlons de teneurs en impuretés de l’ordre du ppb (partie par milliard). Le moindre contaminant peut potentiellement provoquer une défaillance du circuit électrique et détruire la batterie. »

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Une amélioration constante des technologies vertes

Les véhicules électriques ont fait d'énormes progrès en un laps de temps relativement court, mais, comme la plupart des technologies vertes, leur bilan carbone n’est pas forcément plus avantageux que les alternatives traditionnelles.

« À long terme, les voitures électriques seront meilleures pour l'environnement », conclut Marcello. Imerys s'est engagé à développer des technologies durables, comme les batteries lithium-ion, qui réduisent les émissions de CO₂ et la dépendance aux énergies fossiles.

« La voiture électrique a connu de nombreuses innovations depuis ses débuts il y a presque 200 ans. Mais il reste du chemin à parcourir et les véhicules électriques ont encore beaucoup à nous montrer. »

¹ Chiffre estimé pour la fin de l’année 2020. Source : https://singularityhub.com/2019/04/29/electric-cars-are-estimated-to-be-cheaper-than-regular-cars-by-2022/

² Chiffre estimé pour la fin de l’année 2020. Source :  https://www.ev-volumes.com