Cette batterie à ultra-haute densité énergétique est-elle vraiment révolutionnaire ?

Illustration : Getty - Canva, RE, CATL.

Jusqu’à maintenant, l’avion électrique s’est heurté à la densité énergétique trop faible des batteries. Mais, en avril, CATL annonce être parvenu à doubler cette densité avec une nouvelle technologie lithium-ion, rendant plus envisageable le transport aérien 100 % électrique.

Améliorer la faible densité énergétique des batteries est un enjeu majeur, puisque cette caractéristique est directement liée aux perspectives d’électrification des transports. En effet, dans une batterie embarquée dans un véhicule, une part de l’énergie stockée par la batterie est utilisée pour mouvoir la batterie elle-même. Et plus la batterie est pesante et volumineuse, plus il faut de masse et de volume de batterie pour la mouvoir en plus du véhicule et de ses passagers.

Si bien qu’en dessous d’un certain seuil de densité énergétique, l’électrification d’un véhicule n’a aucun sens, puisque la taille de la batterie serait écrasante, et l’autonomie du véhicule serait beaucoup trop faible. La densité énergétique des batteries est donc cruciale pour l’automobile, et on imagine à quel point elle l’est également dans le domaine aéronautique.

Quelles sont les technologies de batterie les plus denses ?

On évalue la performance des batteries à cet égard de deux manières : d’une part, la quantité d’énergie stockée par unité de masse, l’énergie spécifique, et d’autre part, la quantité d’énergie stockée par unité de volume, l’énergie volumique. Ces deux caractéristiques sont importantes pour le transport. En effet, la masse est liée à la quantité d’énergie nécessaire pour accélérer la batterie, tandis que le volume sera lié à la quantité d’énergie dissipée par le frottement avec l’air.

Ces deux caractéristiques permettent de placer les technologies de batteries sur un graphique permettant de les comparer, comme réalisé dans le graphique ci-dessous :

Comparaison de la densité énergétique en volume et en masse. LAB : batteries acide-plomb, NiMH : batteries aux hydrures de nickel, NiCd : batteries nickel–cadmium battery, NaS : batterie sodium-soufre, LIB : batteries Li-Ion / Graphique : Chen et al 2020.

Les caractéristiques des batteries Li-Ion vont de 100 à 250 Wh/kg en termes d’énergie spécifique, et vont de 200 à 700 Wh/L en ce qui concerne l’énergie volumique. Comme on le voit dans le graphique, les batteries Li-ion sont celles qui sont les plus denses, aussi bien en termes de masse que de volume. Elles sont donc les plus appropriées aujourd’hui pour le secteur des transports.

De ce fait, depuis au moins une décennie, on a pu observer une course à la compacité s’est produite. Comme l’indique le graphique ci-dessous, depuis 2008, l’énergie volumique des batteries Li-ion, a été multipliée par plus de 8, passant de 55 Wh/L à 450 Wh/L en 2020. Et ce progrès extrêmement rapide ne s’arrête pas là.

Évolution de la compacité énergétique des batteries entre 2008 et 2020 / Graphique : Muralidharan et al 2022.

La batterie ultra-dense dévoilée par CATL

Le 19 avril 2023, par le biais d’une allocution de Wu Kai, son directeur scientifique au salon Auto de Shangai, CATL dévoile le lancement d’une nouvelle technologie de batterie, appelée « batterie condensée » et dont la densité énergétique atteint 500 Wh/kg. Cette information est reprise immédiatement par un communiqué de presse de l’entreprise.

Rappelons que CATL vendait depuis juin 2022 sa batterie « CTP 3.0 Quilin » dont la performance atteignait 250 Wh/kg. Mis en perspective, CATL ne propose donc rien de moins que doubler la densité énergétique des batteries Li-Ion. Le fonctionnement de la technologie n’a pas été détaillé de manière très explicite. Wu Kai évoque, à l’oral et sans schéma, des principes de fonctionnement évasifs :

• un électrolyte condensé à très haute conductivité, qu’il décrit comme biomimétique (donc inspiré de la nature),
• lequel permet de construire un réseau auto-adaptatif à l’échelle du micron,
• qui améliore le transfert des ions lithium entre la cathode et l’anode.

Peut-être faudra-t-il attendre quelques informations complémentaires pour bien comprendre la technologie proposée par Wu Kai.

Les nouvelles batteries condensées de CATL seront mises en production avant la fin de l’année 2023 en ce qui concerne le marché automobile. Mais, outre la hausse de performance de ses batteries, CATL affirme également que le niveau de sécurité de la batterie a été rendu considérablement plus élevé, au niveau des exigences de sécurité et de qualité de l’aéronautique. L’accroissement, non seulement des performances, mais aussi de la sécurité, ouvre la porte à l’électrification du transport aérien de passagers. Ainsi, au cours de la même conférence, CATL annonce coopérer avec des partenaires pour le développement d’avions électriques pour passagers.

Vous pouvez regarder ici la présentation de Wu Kai (en chinois sous-titré anglais).