Des batteries lithium-ion plus vertes, plus sécuritaires, plus rapides à recharger… Quelles innovations se trament dans les laboratoires et les entreprises du Québec ?
C’est la reine des batteries. Et depuis le début de son règne, il y a trois décennies, son royaume ne cesse de s’étendre. La batterie lithium-ion a d’abord équipé les caméscopes Sony en 1991. Puis, nos ordinateurs portables, nos téléphones cellulaires et nos tablettes. Nos perceuses et autres outils sans fil.
Elle s’est sans cesse améliorée : autonomie et durabilité accrues, recharge de plus en plus rapide, dégringolade des coûts de fabrication… Tant et si bien qu’elle rend aujourd’hui possible l’électrification des transports. Elle équipe désormais nos voitures électriques, mais aussi des vélos, trottinettes, camions, autobus scolaires et même de petits aéronefs.
Mais si une batterie de téléphone pèse quelques dizaines de grammes, le bloc-batterie d’une voiture électrique pèse une demi-tonne ! Pour se passer un jour de combustibles fossiles, on aura besoin de quantités phénoménales de batteries : la demande sera multipliée par 9 d’ici 2040, selon Benchmark Intelligence Group. Dans nos véhicules, bien sûr, mais aussi à proximité des centrales solaires et des parcs éoliens, pour stocker l’énergie intermittente et renouvelable à grande échelle.
D’où les projets d’implantation d’usines de batteries (et de leurs composants) qui se multiplient un peu partout. Le gouvernement du Québec, comme bien d’autres en Occident, investit massivement pour développer sur son territoire une « filière batterie ». C’est-à-dire la chaîne complète des entreprises reliées à la technologie lithium-ion : extraction et raffinage des minéraux critiques, fabrication des composants, assemblage des batteries et recyclage. Une industrie dominée à l’heure actuelle par la Chine et d’autres fournisseurs asiatiques.
La démarche suscite un mélange de curiosité et d’enthousiasme, mais aussi une certaine méfiance, exacerbée ces derniers mois par les déboires financiers de Northvolt. Mais si le projet de giga-usine a suscité la controverse et pris du retard, plusieurs autres vont de l’avant.
Au-delà de ces tribulations économiques et géopolitiques, il y a l’histoire qui s’écrit dans les laboratoires et les entreprises innovantes de la province… depuis plusieurs décennies. Quel chemin avons-nous parcouru ? De quoi seront faites les batteries du futur ? Quelles quêtes animent les scientifiques et les responsables industriels du domaine ? Québec Science est allé les rencontrer.
Dès les années 1970
« Je dis souvent que faire des batteries, c’est de l’alchimie. Il y a beaucoup d’ingrédients, et ça prend des matériaux de très haute pureté », explique l’ingénieur Denis Geoffroy, qui travaille dans le domaine depuis 30 ans.
Sa spécialité ? La poudre noire qui sert à fabriquer un composant essentiel de la batterie : la cathode. Dans l’usine de Candiac où nous reçoit M. Geoffroy, on fabrique plus spécifiquement de la poudre de phosphate de fer et de lithium (surnommé LFP pour lithium ferro-phosphate).
Il existe d’autres sortes de poudre à cathode (voir encadré plus bas Qui habillera la reine lithium-ion ?), mais, quelle que soit la recette utilisée, la cathode est toujours le composant le plus cher d’une batterie.
Lors de notre visite, Denis Geoffroy nous montre sa fameuse poudre. L’étiquette jaunie apposée sur la fiole témoigne du passage des années ; l’échantillon a été synthétisé il y a 23 ans !
Bref, si vous pensiez que l’histoire de la batterie au Québec avait débuté en 2021, avec le lancement de la filière batterie, vous vous trompiez.
« Ça remonte même aux années 1970, à l’Institut de recherche en électricité du Québec [l’IREQ, le centre de recherche d’Hydro-Québec à Varennes], qui cherchait alors à fabriquer de gros accumulateurs d’énergie », raconte Denis Geoffroy.
C’est vers la fin des années 1990 que l’IREQ s’intéresse à un nouveau matériau de cathode prometteur – le fameux LFP. Des travaux menés conjointement avec l’Université de Montréal aboutiront en 2002 à la création d’une entreprise, Phostech Lithium, pour commercialiser le matériau inventé au Texas.
Dans l’usine de production de phosphate de fer et de lithium (LFP) Nano One, à Candiac, Denis Geoffroy tient une fiole de LFP synthétisé au Québec il y a plus de 20 ans. Photo : Jean-Daniel Tessier
« Il faut beaucoup d’étapes pour transformer une curiosité scientifique en un produit de qualité commercialisable, dit Denis Geoffroy. Ensuite, il faut amener le procédé de production du gramme à la tonne. Ça nous a pris trois ou quatre ans. Mais je suis fier de dire que la première tonne de LFP au monde a été produite au Québec ! » (L’inventeur du LFP, John B. Goodenough, a poursuivi ses recherches et a reçu le Nobel en 2019, avec deux autres « pères » de la batterie lithium-ion.)
Le composé est d’abord utilisé dans les batteries de produits électroniques. Puis dans les véhicules électriques. « Au début des années 2010, deux des cinq véhicules électriques les plus vendus en Chine étaient faits avec la “pou-poudre” de Candiac. Dans ce temps-là, c’était encore un petit marché ; on parlait de milliers de véhicules, pas de millions ! Mais quand même… on vendait en Chine avant les Chinois eux-mêmes ! » raconte Denis Geoffroy, aujourd’hui directeur de la commercialisation de Nano One, le nouveau propriétaire de l’usine.
Depuis, le paysage a changé. Soutenues par Beijing, les usines chinoises ont peaufiné l’art de la fabrication de batteries lithium-ion. Un succès écrasant : la Chine fabrique aujourd’hui 85 % des cellules de batteries à l’échelle mondiale et contrôle aussi une bonne partie des chaînes d’approvisionnement (extraction et raffinage des minéraux critiques, matériaux de cathode et d’anode). Et le coût des batteries a dégringolé de 90 % depuis 2010, calcule l’Agence internationale de l’énergie.
Les volumes sont énormes et les marges de profit sont faibles. Par ailleurs, les fabricants chinois n’ont pas à respecter les mêmes normes environnementales qu’ici… Dans ce contexte, impossible pour l’usine de Candiac d’être concurrentielle. « Notre défi, c’est de rattraper la Chine. Et pour y arriver, il va nous falloir de meilleurs procédés », pense Denis Geoffroy.
Faire de la poudre
Innover, c’est justement ce que souhaite l’entreprise Nano One, basée à Vancouver. Elle a breveté un procédé plus rapide et efficace pour produire la poudre de LFP. Il requiert moins de mati
ères premières, moins d’étapes intermédiaires, utilise moins d’eau et produit moins de déchets. Il génère aussi moins de gaz à effet de serre : « C’est important si on veut décarboner le transport », souligne Denis Geoffroy. On le teste présentement à échelle pilote à Candiac, pour que les clients potentiels puissent évaluer la qualité du produit.
Lors de notre visite, l’usine de 40 employés était en fonction, mais il n’y avait personne d’autre que nous sur le plancher : toutes les opérations sont automatisées. Les matières premières sont acheminées dans les réacteurs par des tuyaux. Une opération délicate, supervisée depuis une salle de contrôle. « Il faut mettre les ingrédients dans le bon ordre, au bon moment, à la bonne température, au bon pH », détaille Denis Geoffroy. Le mélange sera ensuite séché, cuit, puis réduit en poudre.
Nano One prévoit ouvrir sa première usine à échelle commerciale, dix fois plus grosse que celle de Candiac, en Amérique du Nord – idéalement au Québec, mais rien n’est certain pour le moment.
Il y a tout de même deux autres usines de matériaux de cathode (Ultium CAM et EcoPro BM) et une usine de transformation du lithium (Nemaska Lithium) déjà en construction à Bécancour, une usine de feuilles de cuivre pour anodes (Volta) à Granby, et d’autres encore.
Parviendra-t-on à établir au Québec un écosystème complet de fabrication de batteries ? L’avenir le dira. Mais dans les universités, les scientifiques travaillent déjà sur des batteries plus vertes, plus sécuritaires et qui se rechargent plus vite…
Banc d’essai
La boîte à gants. C’est le premier équipement que je remarque en entrant au Laboratoire de chimie et d’électrochimie du solide, que dirige le professeur Mickaël Dollé à l’Université de Montréal. Ce poste de travail étanche sert à manipuler le lithium, hautement réactif. Pour éviter qu’il n’entre en contact avec l’air ou l’humidité, la boîte contient un gaz inerte – de l’argon sous pression. Pour travailler, les membres du laboratoire plongent les mains dans la boîte en enfilant les longs gants de caoutchouc fixés à la paroi vitrée.
Ce qui est drôle, c’est que si personne n’est au poste, la pression fait gonfler les gants vers l’extérieur, comme si la boîte tendait les bras pour avoir un câlin ! « Pour ceux qui découvrent, c’est toujours cool, la boîte à gants. Après y avoir passé des milliers et des milliers d’heures, on trouve ça plutôt pénible, surtout en plein été ! » dit le professeur. Heureusement, son laboratoire loge maintenant dans un bâtiment tout neuf entièrement climatisé.
Dans ces boîtes, l’équipe fabrique de petites piles boutons, de la taille d’une pièce de 25 cents. C’est à cette petite échelle que sont d’abord développés les matériaux et les procédés de fabrication des batteries du futur. Une fois assemblées, ces piles seront ensuite branchées pour subir, pendant plusieurs mois, des centaines de cycles recharge-décharge, pour étudier la vitesse de charge ou les effets du vieillissement sur l’intégrité des matériaux.
L’équipe cherche aussi depuis une dizaine d’années à éliminer certains produits toxiques servant à la fabrication de batteries, notamment les solvants utilisés pour fabriquer les électrodes. « Les solvants classiques sont des cancérigènes reconnus. Les travailleurs sont protégés, mais toute la gestion des solvants est coûteuse », indique Mickaël Dollé.
Dans une extrudeuse, deux vis mélangent la poudre de cathode à du plastique fondu – un polymère déjà utilisé dans l’industrie des emballages –, qu’on étend ensuite en couche mince sur les feuillets métalliques. La méthode fonctionne, indique Mickaël Dollé, mais « le gros défi, c’est le coût. Tant qu’il n’y a pas de demande de masse, c’est vraiment compliqué de pouvoir baisser les coûts ».
Plusieurs de ses étudiants travaillent aussi à remplacer l’électrolyte liquide actuel, inflammable, par un autre moins dangereux. Peut-être un polymère ou une céramique. À Varennes, le Centre d’excellence en électrification des transports et en stockage d’énergie d’Hydro-Québec travaille aussi depuis de nombreuses années sur cette technologie dite de « batterie tout solide », mais a malheureusement refusé notre demande de visite ou d’entrevue.
Elsa Briqueleur, post-doctorante à l’Université de Montréal, travaillant dans une boîte à gants. Ce poste de travail étanche sert à manipuler le lithium. Photo: Raphaëlle Derome
Qui habillera la reine lithium-ion ?
Les batteries lithium-ion, c’est une grande famille, où se côtoient toutes sortes de recettes différentes : LCO, NMC, LFP… des sigles qui désignent les matériaux utilisés pour la cathode. Ce sont eux qui déterminent en grande partie le coût et les caractéristiques de la batterie.
Dans les téléphones cellulaires, on choisit généralement le LCO (lithium cobalt oxyde – oxyde de cobalt et de lithium), car sa grande densité en énergie permet d’obtenir une batterie très compacte. Mais le cobalt coûte cher, et son extraction, principalement en République démocratique du Congo, entraîne des atteintes en matière de droits de la personne. Ce qui pose d’autant plus problème quand on considère qu’une batterie de voiture pèse mille fois plus que celle d’un appareil électronique.
Mais les technologies évoluent. Si Tesla a d’abord adopté la chimie NMC (nickel manganèse cobalt), c’est que sa grande densité énergétique permet les accélérations fulgurantes que recherchaient les premiers acheteurs de véhicules électriques.
Or, à mesure que ces autos deviennent plus accessibles, les batteries LFP (lithium fer phosphate, qui ne contient pas de cobalt) prennent des parts de marché. Plus sécuritaires et plus robustes, elles ont une densité énergétique moindre, mais de récentes améliorations dans l’architecture de batteries ont permis de combler presque entièrement l’écart avec le NMC. Cerise sur le gâteau : le fer coûte beaucoup moins cher que le cobalt et le manganèse…
« Monsieur et Madame Tout-le-Monde n’ont pas besoin de faire 0-100 km/h en 3 secondes ; ils veulent surtout une auto qui va durer longtemps et coûter moins cher à l’achat, indique Denis Geoffroy. En Chine, le LFP équipe désormais 70 % des véhicules électriques vendus. »
D’abord, réduire à la source
On aura beau faire des batteries plus vertes, l’idéal serait encore de pouvoir réduire considérablement leur taille et leur poids. « On fabrique des batteries plus grosses que ce dont on a réellement besoin, ce qui prend énormément de ressources », se désole Steen Schougaard, professeur au Département de chimie de l’Université du Québec à Montréal.
Le département américain de l’Énergie estime ainsi qu’aux États-Unis, 95 % des trajets en voiture sont inférieurs à 48 km et que les automobilistes conduisent en moyenne moins de 64 km par jour. Pourtant, les gens exigent que leur voiture dispose de plusieurs centaines de kilomètres d’autonomie…
Steen Schougaard aimerait qu’on se contente de batteries quatre fois moins grosses, avec une autonomie de 100 ou 150 kilomètres. Ce serait largement suffisant pour les trajets quotidiens de la majorité des gens. Une telle voiture serait moins chère : des milliers de dollars de moins ! Mais pour que les gens l’achètent, il faudrait qu’ils puissent recharger leur batterie beaucoup plus rapidement durant les longs trajets, pendant les arrêts qu’ils font de toute façon : pause café, pause pipi…
Accélérer la recharge, c’est donc l’une des principales missions de Steen Schougaard.
On connaît plusieurs phénomènes à l’échelle microscopique qui ralentissent le mouvement des ions lithium durant la recharge. Pour s’y attaquer, il faut bien comprendre ce qui se passe dans chaque partie de la batterie. « Mais elle est opaque, on ne peut pas voir à l’intérieur ! » souligne le chimiste. Son laboratoire a donc mis au point une méthode à l’aide d’un faisceau hautement focalisé de rayons X, qui permet de prendre des mesures très ciblées. Une avancée qui accélère la recherche et le développement de nouveaux matériaux ou de nouvelles architectures de batteries.
On gagnerait à envisager la recharge différemment, plaide Elsa Briqueleur, post-doctorante au laboratoire de Mickaël Dollé. « Quand ils s’arrêtent à une borne de recharge, les gens souhaitent recharger leur batterie au complet, comme s’ils faisaient le plein d’essence. Mais en 15 minutes, soit le temps de manger un sandwich, on peut déjà [sur une borne ultra-rapide] faire une charge partielle et gagner 300 km d’autonomie. C’est probablement assez pour se rendre à destination, là où on pourra finir la recharge pendant la nuit. » La voiture électrique, c’est une nouvelle façon de penser…
Des batteries originales
Outre la recherche appliquée, proche des besoins actuels de l’industrie, le laboratoire de Mickaël Dollé développe aussi des batteries complètement différentes.
L’une d’elles, à base de pectine de pomme, pourrait à terme permettre de créer des batteries biodégradables. Une autre, à base d’eau et de bois, a reçu le prix du public décerné par les lecteurs et lectrices de Québec Science, parmi les 10 découvertes de l’année 2020.
Il y a même une photobatterie : il suffit de l’exposer au soleil pour la recharger. « C’est très préliminaire comme étude, le courant est très petit, mais ça marche ! » raconte avec enthousiasme Elsa Briqueleur, qui l’a créée dans le cadre de son doctorat. Le projet continue dans un laboratoire voisin, celui du professeur William Skene, qui essaie d’améliorer la molécule utilisée pour l’électrode.
Et demain ?
En matière de recherche sur les batteries, il n’y a pas que le lithium-ion, bien sûr. Mais c’est la technologie la plus mature, et elle ne sera pas facile à supplanter. « Il y a des avantages avec le lithium qui seront difficiles à trouver dans d’autres éléments », prévient Steen Schougaard.
N’empêche. Certains remplacent le lithium par du sodium, dans les batteries sodium-ion. Sans lithium (cher) ni cobalt (cher et dont l’extraction est peu éthique), elles offrent une bonne puissance. Mais pour une même capacité, elles sont plus lourdes et plus volumineuses. Elles n’équiperont sans doute pas nos véhicules – à moins que nous nous contentions d’une autonomie plus faible. Mais elles pourraient équiper des outils sans fil, des vélos électriques, des scooters, ou encore servir à stocker de l’énergie renouvelable.
La technologie zinc-ion est aussi prometteuse, puisqu’elle permet d’utiliser des électrolytes à base d’eau, donc non inflammables et non polluants.
Et si ce sont surtout les matériaux de cathode qui ont évolué avec le temps, plusieurs jeunes pousses travaillent à remplacer les anodes de graphite par des anodes de silicium. On sait depuis longtemps que le silicium peut stocker 10 fois plus de lithium que le graphite. Mais c’est le graphite qui s’est imposé comme compromis, car on n’arrivait pas, à l’époque, à produire des anodes de silicium capables de résister aux fluctuations thermiques (expansion et contraction du matériau) lors de la recharge. De nouvelles méthodes de fabrication permettent de créer des anodes de silicium plus robustes, ce qui pourrait permettre leur retour.
« La réalité, c’est que les chimistes peuvent apporter leur contribution, les ingénieurs vont apporter la leur, et les gens qui font l’intégration des systèmes ont aussi leur rôle à jouer. Pour avoir un produit final qui a du succès, ça prend énormément de savoir-faire », dit Steen Schougaard.
La batterie lithium-ion perdra-t-elle son trône ? « En fait, si on veut vraiment électrifier tout ce qui nous entoure, il y aura de la place pour beaucoup de technologies », pense Mickaël Dollé. Autant de nouveaux royaumes avec leurs propres trônes à occuper.
Photo: Tony Bond
Faites durer votre téléphone !
Vous voulez bichonner sa batterie lithium-ion et prolonger sa durée de vie ? Visez un niveau de charge entre 25 et 85 %. Ainsi, vous vous assurez qu’il y a toujours un peu d’ions lithium dans l’anode et dans la cathode.
« Les batteries lithium-ion, c’est du lithium qui s’insère dans la structure des matériaux et s’en désinsère, comme dans un mille-feuille », rappelle Elsa Briqueleur, post-doctorante au Laboratoire de chimie et d’électrochimie du solide de l’Université de Montréal. « Si le mille-feuille est trop plein ou s’il est vide, ça dégrade un petit peu le matériau en raison des expansions-contractions successives. C’est ça qu’on veut éviter. Parce qu’une fois que le matériau est craqué, c’est irréversible. »
Plusieurs téléphones et véhicules électriques offrent d’ailleurs une option pour limiter automatiquement la charge de la batterie à 80 ou à 85 %.
Cobalt, lithium… Le défi minier
Y a-t-il assez de lithium sur la Terre pour alimenter toutes ces batteries ? « Du lithium, on en a. La question est de savoir combien ça va coûter, s’il est accessible, etc. Ça, c’est vraiment très compliqué à anticiper », remarque Mickaël Dollé, de l’Université de Montréal.
Dans l’industrie minière, la demande stimule la prospection. Résultat ? Selon le US Geological Survey, les réserves mondiales connues de lithium ont plus que doublé depuis 10 ans. Comme quoi quand les géologues cherchent… ils trouvent !
Mais il n’y a pas que le lithium : les batteries sont gourmandes en autres minéraux. Graphite, nickel, manganèse… et le plus controversé : le cobalt. Plus de 70 % du cobalt mondial provient de la République démocratique du Congo, où le minerai est extrait au prix de nombreuses violations des droits de la personne : conditions de travail dangereuses, travail des enfants, déplacements forcés des populations locales.
L’industrie tente donc de plus en plus de se débarrasser du cobalt : les nouvelles batteries NMC en contiennent trois fois moins. On cherche aussi à récupérer le cobalt dans les batteries usagées ou les rejets de production des usines de batteries. Ainsi, Apple a annoncé avoir utilisé 56 % de cobalt recyclé dans ses batteries en 2023, avec pour objectif 100 % cette année.
Mais comme la demande en batteries croîtra encore pendant un bon moment à mesure qu’on électrifiera la société, on ne pourra pas combler tous nos besoins par le recyclage des métaux déjà extraits. Il faudra ouvrir de nouvelles mines dans les prochaines années, avec tout ce que cela suppose de défis en matière d’acceptabilité sociale.
Le virage mondial vers les technologies propres (batteries, éoliennes, panneaux solaires, etc.) crée ainsi une forte demande en minéraux, qui pourrait atteindre 28 millions de tonnes par an en 2040, selon l’Agence internationale de l’énergie. Mais cela n’est qu’une miette quand on compare aux quantités monstrueuses de pétrole, de charbon et de gaz qu’on extrait pour faire carburer l’économie fossile : 15 milliards de tonnes en 2019 ! Tout compte fait, estime le blogue spécialisé Sustainability by numbers, une économie propre requerra, du point de vue de la masse, de 500 à 1000 fois moins d’extraction minière qu’actuellement.
