Les voitures électriques ont encore un problème d’image pour beaucoup de gens. Des questions se posent immédiatement sur le thème des « terres rares » dans les moteurs et de l’utilisation du cobalt dans la batterie.

On oublie souvent que les réponses existent déjà et que des solutions sont élaborées à un rythme vertigineux. Nous fournissons donc un aperçu et apportons des éclaircissements sur ce que sont les terres rares, où elles sont utilisées et comment les constructeurs automobiles du monde entier recherchent des alternatives et des innovations durables.

Les chapitres en un coup d'œil

  • Comment les terres rares sont-elles utilisées dans les voitures ?
  • Que font les acteurs mondiaux pour s’approvisionner de manière plus durable en matières premières ?
  • Quelles nouvelles technologies seront utilisées pour les batteries à l’avenir ?

Que sont les terres rares et comment sont-elles utilisées dans les voitures ?

Les terres rares ne sont pas aussi rares que leur nom l’indique. Il existe au total 17 « éléments de terres rares », le plus rare (le thulium) étant toujours trouvé plus fréquemment que l’or. Elles ne sont pas non plus nécessaires à la production de batteries de voitures électriques, comme nous l’avons déjà expliqué dans notre article. Cependant, les terres rares sont effectivement utilisées dans la construction automobile - par exemple le néodyme - mais pas seulement.

Le néodyme fait désormais partie intégrante de notre vie quotidienne. Il est utilisé dans la fabrication d'objets tels que les téléviseurs plasma, les disques durs, les écouteurs et, avec un poids d'environ 0,4 gramme, on le retrouve également dans tous les smartphones.

Pour les constructeurs automobiles, il s'agit d'un des éléments les plus importants, quelle que soit la conception, car il est notamment nécessaire à l'électronique des capteurs de mouvement. Mais surtout dans les voitures électriques, il est utilisé dans les moteurs à aimants permanents.

Les aimants permanents sont si populaires dans les moteurs de voitures électriques car ils augmentent l'efficacité des moteurs (machines synchrones à aimants permanents, PSM en abrégé). Leur inconvénient réside dans les pertes de roulement plus importantes et la capacité de surcharge plus faible, ce qui entraîne une baisse des performances. Une alternative est celle des moteurs synchrones à excitation externe (FSM), qui ne contiennent pas d'aimants permanents et sont plus puissants, mais nécessitent de l'énergie électrique pour générer le champ magnétique.

Le cobalt est souvent évoqué en lien avec l’exploitation des « terres rares », mais n’est pas un élément des terres rares. Il est extrêmement conducteur et garantit que la tension à la cathode de la batterie reste élevée, augmentant ainsi la densité énergétique des batteries et la vitesse de charge. Mais le cobalt est également nécessaire dans les moteurs à combustion, à la fois pour la désulfuration du pétrole brut dans les raffineries et pour le durcissement de l'acier à haute résistance dans la production de moteurs et de transmissions.

Néanmoins, cela mérite certainement d'être mentionné à ce stade, car de nombreux programmes et développements de constructeurs automobiles visent à éliminer l'utilisation du cobalt à l'avenir.

Que font les acteurs mondiaux pour s’approvisionner de manière plus durable en matières premières ?

Les grands consommateurs comme VW, BMW et Tesla sont conscients que l'origine des matériaux utilisés devient un critère d'achat de plus en plus important pour leurs clients.

La tendance est donc aux moteurs synchrones à excitation séparée (FSM), qui ne nécessitent pas d'éléments de terres rares comme le néodyme. La raison en est à la fois l’amélioration du bilan environnemental et le fait que la Chine contrôle une grande partie de l’exploitation minière du néodyme. L'abandon du néodyme signifie également plus d'indépendance pour l'industrie automobile en matière d'approvisionnement en ressources.

BMW avec son modèle iX3 et VW avec le 4x4-ID ont déjà prouvé que cela pouvait désormais se faire totalement sans éléments de terres rares. Le constructeur japonais Nissan renoncera également à l'utilisation de terres rares dans son nouveau modèle Ariya. Et le constructeur français Renault utilise également des moteurs synchrones à excitation externe dans son best-seller Zoé.

Quelles technologies seront utilisées pour les batteries à l’avenir ?

L’avenir des batteries de voitures électriques ne pourrait guère être plus prometteur, car le développement et l’amélioration des batteries progressent à toute vitesse. Au vu des projets de recherche des grands fabricants, les discussions sur l’utilisation de matières premières comme le cobalt appartiendront bientôt au passé.

Tesla et Volkswagen ont annoncé l'année dernière qu'elles n'utiliseraient que des batteries LFP ne contenant pas de cobalt pour leur segment d'entrée de gamme (par exemple la Tesla Model 3 SR+). Dans les segments supérieurs, une combinaison de nickel et de manganèse sera utilisée, ce qui devrait permettre une très longue durée de vie pouvant atteindre 10 000 cycles complets.

Le constructeur BMW a un plan différent, puisqu'il organise ses achats entièrement seul et s'approvisionne en cobalt uniquement auprès de sources certifiées en Australie et au Mexique.

Étant donné que la batterie d’une voiture électrique est constituée en grande partie de lithium, son démontage est également souvent critiqué en raison de sa consommation d’eau prétendument élevée. Il faut cependant relativiser la quantité d’eau nécessaire et garder à l’esprit que les batteries peuvent être utilisées longtemps dans leur seconde vie et peuvent ensuite être entièrement recyclées.

Afin de s'affranchir totalement du lithium nécessaire, le fournisseur chinois CATL (Contemporary Amperex Technology Limited) a introduit un nouveau type de batterie sodium-ion. Celui-ci devrait être prêt à être commercialisé dès 2023 et entrer en production de masse. Les avantages résident dans la durabilité, la performance à froid, la capacité de charge rapide, la sécurité et bien sûr la réduction des coûts de fabrication.

Des chercheurs australiens adoptent une approche différente et tentent de créer une batterie d'une autonomie de 1 000 kilomètres en utilisant du soufre pour remplacer le cobalt et le manganèse. Il existe également une grande confiance dans le fait que des entreprises telles qu'IBM, Mercedes et Sidus travaillent ensemble sur une méthode permettant de produire des batteries à partir de minéraux marins au lieu de métaux lourds.
Un peu plus loin dans le futur se trouveront les batteries dites à semi-conducteurs, qui seront bien supérieures aux technologies actuelles en termes d'autonomie, de sécurité ainsi que de vitesse de charge. Renault, Mitsubishi, Nissan et Toyota ont uni leurs forces et travaillent intensivement sur la prochaine grande innovation.