Découvrir la chaîne d'approvisionnement complexe des batteries VE

L'adoption à l'échelle mondiale des véhicules électriques (VE) repose sur une chaîne d'approvisionnement de batteries lithium-ion (Li-ion) complexe et évolutive, couvrant l'extraction des minéraux bruts, la fabrication des composants des batteries et l'assemblage cellulaire. Chaque étape de ce process élaboré présente des défis et des opportunités uniques. 

L'un des principaux défis de la chaîne d'approvisionnement est de garantir une disponibilité minérale suffisante pour répondre à la demande croissante en VE et aux besoins en batteries. Au début du 21e siècle, le VE grand public étaient très compacts, ce qui a permis de maximiser la plage limitée que la plupart des batteries Li-ion de l'époque pouvaient fournir. Par exemple, la Chevrolet Spark EV 2016 mesurait 3,7 m (147 in) de long avec une autonomie de 132 km (82 miles). Toutefois, la taille des véhicules, la portée et les attentes en termes de performance ont augmenté au cours de la dernière décennie, nécessitant des batteries plus volumineuses avec des combinaisons minérales favorables et un nombre supérieur de cellules par véhicule.

En outre, l'industrie est confrontée à la nécessité de développer des méthodes de recyclage durables alors que les premiers VE et leurs batteries Li-ion arrivent à leur fin de vie. Ces efforts sont essentiels pour minimiser les déchets et réduire la pression exercée sur les ressources vierges et les environnements dont elles sont extraites.

La demande en VE a explosé au niveau mondial au cours des dix dernières années, avec des ventes de VE atteignant un record de 10,5 millions en 2023, ce chiffre comprenant les véhicules entièrement électriques et les hybrides rechargeables. Un ralentissement n'est pas attendu, les projections prévoyant un taux de croissance annuel composé de 32 % d'ici 2030. Ces chiffres soulignent le besoin urgent en solutions de chaîne d'approvisionnement de batteries robustes et durables.

Comme la plupart des batteries, les batteries EV sont composées de minéraux de terre rares, contenant différentes quantités de lithium, de cobalt, de nickel et de graphite. Plusieurs de ces matériaux peuvent être réutilisés et recyclés dans l'économie circulaire, contrairement au carburant pour véhicules avec moteurs à combustion interne, qui dépendent de l'extraction continue et de la combustion de combustibles fossiles. 

Entre sa source dans la terre et sa commercialisation de gros et de détail en batterie, le lithium et les autres minéraux de terre rares passent par plusieurs étapes et process. Ces étapes comprennent l'exploitation minière, le raffinage, la fabrication de batteries, l'assemblage et l'expédition. 

Le prix des batteries lithium reflète toutes les étapes intermédiaires et les batteries VE plus volumineuses peuvent être très chères. Par exemple, le remplacement de la batterie de la Tesla Model S coûte entre 8 000 et 10 000 dollars en 2024. 

Le cycle de vie des batteries VE commence dans les régions riches en minéraux où les minéraux de terre rares essentiels sont extraits. La plupart de ces matériaux sont extraits sous formes de minerais riches, puis raffinés, transformés, lixiviés et purifiés. 

Toutefois, les opérations minières peuvent contribuer à la déforestation, à la perte d'habitat et à la pollution de l'eau, sauf si des mesures de protection de l'environnement sont mises en œuvre. En outre, la concentration des minéraux de terre rares dans les régions limitées soulève des problèmes de vulnérabilité géopolitique et d'interruptions de la chaîne d'approvisionnement, et les acteurs industriels doivent maintenir une surveillance collective du marché et travailler ensemble pour réduire les éventuels impacts au fil du temps. 

L'industrie répond à ces défis grâce à des efforts de diversification minérale, des méthodes d'exploitation minière plus respectueuses de l'environnement et des progrès dans les capacités de recyclage des minerais de batteries. Ces actions devraient réduire la dépendance aux matériaux géopolitiquement sensibles, préserver les écosystèmes près des mines et protéger les ressources en eau. 

Les process midstream nécessitent une transformation des matières premières en composites de qualité requise. Ces étapes comprennent la transformation du lithium en composés tels que l'hydroxyde, le carbonate et les sels, essentiels pour la production de revêtements d'électrodes de batterie et de la couche d'électrolyte entre la cathode et l'anode de la cellule de batterie. 

La cathode de la batterie influence fortement la performance des cellules. La plupart des cathodes des VE sont des combinaisons d'alliages de cobalt et de nickel, mais des études sont en cours pour utiliser diverses combinaisons de métaux plus sûres et plus efficaces. 

Les anodes Li-ion sont constituées d'une pellicule de cuivre recouverte de graphite, fournissant une structure hôte pour les ions lithium pendant la charge et la décharge. Ce composant repose sur un graphite spécialisé, formé à des tailles précises et appliqué à la surface du cuivre. 

Ces procédures midstream sont menées à une échelle significative car la plupart des batteries VE contiennent des milliers de cellules individuelles. Assurer la pureté et la qualité de fabrication des matériaux est essentiel pour obtenir des batteries sûres et efficaces, et nécessite une instrumentation de process sophistiquée et des analyseurs pour surveiller et contrôler le process de production. 

Après la fabrication, les composants sont combinés en cellules, généralement de forme cylindrique pour les VE. Ces cellules sont ensuite assemblées dans de grandes batteries pour fournir une puissance acceptable à un véhicule sur de longues portées. 

Fournir des batteries capables d'alimenter les VE sur une longue portée est une exigence clé pour la viabilité croissante des VE sur les marchés commerciaux et grand public. Les conducteurs sont habitués à ravitailler les véhicules moteurs à combustion en quelques minutes après plusieurs centaines de kilomètres de conduite, en utilisant le réseau abondant de stations essence. En revanche, les stations de recharge de VE sont peu nombreuses et éloignées, et charger une batterie VE prend plusieurs heures à la plupart des terminaux. 

Pour pallier à ces inconvénients, l'infrastructure de recharge doit encore augmenter, et surtout optimiser la recharge rapide haute puissance. Des batteries de plus en plus adaptées, avec des capacités de stockage d'énergie plus importantes, atténuent certaines préoccupations en matière de faisabilité, notamment sur les marchés grand public et commerciaux, où les véhicules sont souvent garés pendant des périodes prolongées, fournissant davantage de possibilités de recharge. 

Le développement de piles à hydrogène est une autre option technique pour régler le problème de la durée de recharge, mais l'infrastructure de ravitaillement manque cruellement dans la plupart des régions, ce qui rend les véhicules à hydrogène peu viables sur la plupart des marchés actuels. 

Les batteries Li-ion peuvent être dangereuses à cause de l'énergie qu'elles stockent ainsi que des matières premières et produits chimiques fortement réactifs utilisés, ce qui les rend dangereusement enclines à la combustion en cas d'exposition à des étincelles, si elles sont fortement déformées ou mal construites. En outre, la décomposition de l'électrolyte au lithium peut libérer dans l'air des gaz inflammables comme l'éthylène, le méthane et l'hydrogène. 

L'emballement thermique, qui peut se produire si une batterie devient trop chaude suite à des dommages ou une charge non conforme, est une préoccupation sérieuse pour les batteries VE. Dans le cas où cela se produit, la chaleur montante fait s'évaporer l'électrolyte, ce qui compromet le boîtier de la cellule et la libération des gaz inflammables. La surcharge peut déformer le lithium métallique à l'intérieur de la cellule, ce qui peut causer des courts-circuits internes et réagir avec l'humidité ambiante. Une fois cette réaction commencée, elle est auto-entretenue,et couper l'alimentation peut donc ne pas l'arrêter. Malheureusement, l'emballement thermique est difficile à détecter jusqu'à ce qu'un incendie éclate, ce qui met en évidence l'importance de la fabrication de cellules de haute qualité.

Le recyclage est devenu récemment un aspect critique de la chaîne d'approvisionnement des batteries VE, l'industrie s'attaquant à l'augmentation rapide des déchets de composants de batterie des VE en fin de vie. La demande en VE augmente, de même que la nécessité de procéder à un recyclage efficace et durable pour récupérer les métaux précieux, minimiser l'impact environnemental et adapter l'exploitation minière pour la production de nouvelles batteries VE.

Les batteries VE peuvent être recyclées de manière similaire aux batteries Li-ion plus petites par pyrométallurgie et hydrométallurgie. Toutefois, leur grande taille, leur poids et leur complexité multiplie les défis de la récupération efficace des minéraux. Les diverses installations de recyclage abordent la tâche différemment. Certaines font démonter manuellement les batteries VE par des équipes de travailleurs qualifiés, tandis que d'autres déchiquettent simplement les batteries immergées dans un liquide inerte pour réduire l'oxygène et réduire le risque de combustion. 

L'efficacité du recyclage des batteries VE progresse rapidement malgré les défis, avec des innovations comme le démontage robotisé aidant à développer la pratique. Le recyclage des batteries à grande échelle est une zone de recherche de plus en plus importante du fait du nombre de batteries nécessitant un recyclage futur, qui augmente proportionnellement au nombre record de VE qui prennent la route et avec la multiplication des systèmes de stockage d'énergie basés sur une batterie. 

Répondre à la demande rapidement croissante de batteries VE nécessite une chaîne d'approvisionnement stable, qui couvre l'exploitation minière, la fabrication, l'assemblage et le recyclage. En outre, l'industrie doit assurer un flux continu de composants et de matériaux dans toutes les régions géographiquement dispersées afin de maintenir une production efficace des batteries. 

La transition vers la mobilité électrique présente des défis, mais c'est une partie cruciale des efforts mondiaux pour réduire les émissions de carbone et limiter les gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Répondre aux défis de la chaîne d'approvisionnement des VE nécessite de mettre en œuvre des méthodes d'approvisionnement responsables en matières premières, en atténuant l'impact environnemental de l'exploitation minière, en surveillance étroitement la qualité pendant la fabrication et l'assemblage et en continuant d'investir dans les technologies de recyclage des batteries.