Les six principaux types de batteries au lithium

On dénombre six principaux types de batteries lithium-ion. On les distingue par leur composition chimique, qui rend chaque type plus ou moins adapté pour un usage particulier. Les six différents types de batteries lithium-ion sont les suivants : Lithium – Cobalt – Oxyde (LCO), Lithium – Manganèse – Oxyde (LMO), Lithium – Fer – Phosphate (LFP), Nickel – Manganèse – Cobalt (NMC), Nickel – Cobalt – Aluminium (NCA), et Lithium titanate (LTO).

Ces batteries sont principalement utilisées pour des appareils électroniques de petite ou moyenne taille, comme des smartphones, des ordinateurs portables, ou des appareils photos par exemple. Selon une synthèse de l’Ineris publiée en mai 2024, ces batteries sont celles ayant la moins bonne stabilité thermique. Cela signifie qu’une réaction exothermique, pouvant entraîner un emballement thermique, est susceptible de se manifester à une température moins élevée que pour les autres types de batteries lithium-ion. Les batteries LCO sont composées d’une cathode en oxyde de cobalt (électrode positive) et d’une anode en carbone graphite (électrode négative). La présence de cobalt au sein de ces batteries implique d’importantes problématiques environnementales, et en termes de droits humains, en raison des conditions d’extraction de ce minerai, notamment en République démocratique du Congo.

Les batteries LMO sont utilisées dans des appareils de petite ou moyenne taille, comme des vélos électriques, des perceuses, ou encore des équipements médicaux. Leur principal atout est leur capacité à délivrer une quantité importante d’énergie dans un temps restreint. Elles se composent d’une cathode en oxyde de manganèse et d’une anode en graphite.

D’après un document de l’Institut des relations internationales et stratégiques (IRIS) datant de 2021, les batteries LMO sont plus stables que les batteries LCO, et offrent ainsi une plus grande sûreté d’utilisation. Cependant, leur durée de vie est plus courte.

Les batteries LFP sont généralement utilisées dans des engins de grande taille (voitures électriques, engins industriels, etc). En termes de risque d’emballement thermique, elles semblent être les plus sûres, car les réactions exothermiques se manifestent à une températures plus élevée sur les batteries LFP, en comparaison aux autres types de batteries. Toutefois, la synthèse de l’Ineris rapporte que la température à laquelle la réaction exothermique a lieu “peut fortement diminuer avec l’état de la batterie et diverses données d’environnement”, par exemple en cas de surcharge. L’Ineris ajoute que “une fois l’emballement thermique déclenché, la réactivité des batteries LFP peut être violente et/ou s’étaler dans le temps, conduisant à de nombreux risques : dégagement thermique, explosion (VCE), toxique”.

Néanmoins, la température atteinte par le corps des cellules lors d’un emballement thermique est inférieure pour les batteries LFP, comparativement aux autres chimies. Différentes études, citées par l’Ineris, font état de températures allant de 386 à 775°C lors d’un emballement thermique, contre une température pouvant dépasser les 800°C, et même avoisiner les 1000°C pour des batteries de type NMC. En outre, selon l’Ineris, “l’absence de cobalt et de manganèse dans les cathodes LFP semble favorable d’un point de vue toxicité vis-à-vis des hommes et d’impact à l’environnement”.

Les batteries LFP semblent également permettre un nombre de cycles de charge, et par conséquent une durée de vie, plus élevé que les autres chimies de batteries lithium-ion. D’après une étude publiée dans le Journal of The Electrochemical Society, “les cellules LFP présentent des durées de vie nettement plus longues dans les conditions examinées : 2500 à 9000 équivalents de cycle complet (ECC) contre 250 à 1500 pour les cellules NCA et 200 à 2500 pour les cellules NMC”.

Source : graphique issu d’une étude publiée dans le Journal of The Electrochemical Society.

Les batteries NMC sont largement utilisées dans le secteur automobile. Selon le site spécialisé Flash Battery, qui vend des batteries Li-ion et publie des articles sur le sujet, les batteries NMC permettent de “stocker une grande quantité d’énergie avec un poids et un volume réduits, ce qui permet d’installer plus d’énergie dans le véhicule que les autres technologies à base de lithium”. Il existe trois types de batteries NMC, en fonction de la quantité des éléments chimiques les composant :

• NMC 111 (Nickel 33,3 % – Manganèse 33,3 % – Cobalt 33,3 %)
• NMC 622 (Nickel 60 % – Manganèse 20 % – Cobalt 20 %)
• NMC 811 (Nickel 80 % – Manganèse 10 % – Cobalt 10 %)

Les NMC 111, contenant beaucoup de cobalt, sont désormais peu utilisées. En effet, l’évolution tend à se diriger vers une quantité de cobalt de plus en plus faible, notamment en raison des importants problèmes que pose ce minerai sur le plan environnemental et des droits humains.

En termes de stabilité thermique, les batteries NMC arrivent en deuxième position, juste derrière les batteries LFP. Cela signifie que la température à partir de laquelle se manifeste une réaction exothermique, pouvant amener à un emballement, est supérieure à la majorité des autres chimies de batterie.

Tout comme les batteries NMC, les batteries NCA sont souvent utilisées dans le secteur automobile. Elles ont une stabilité thermique légèrement plus faible que les batteries NMC et LFP. Elles bénéficient également d’une importante densité énergétique, et d’une autonomie supérieure à d’autres technologies de batteries, comme les LFP. En revanche, avec une durée de vie située entre 250 et 1500 équivalents cycles complets, leur durée de vie est largement inférieure à celui d’autres technologies de batteries, comme les LFP par exemple. Selon le site spécialisé Flash Battery, “la structure des cellules NCA ressemble beaucoup à celle des NMC 811, avec un haut pourcentage de nickel et une faible teneur en cobalt et en aluminium”.

Néanmoins, la présence de cobalt dans ces batteries, même en faible quantité, reste une préoccupation importante. Selon le document de l’IRIS de 2021, la réduction de la teneur en cobalt de ces batteries, via une hausse de celle en nickel, constitue une piste de recherche. Le document précise en effet que l’extraction du cobalt est souvent “entachée par du travail forcé d’enfants”.

Les batteries Lithium titanate (LTO) sont encore peu utilisées. Selon le site Flash Battery, leur utilisation idéale concerne des applications lourdes, comme des chariots élévateurs par exemple. Leur principal avantage est qu’elles se dégradent très peu, permettant d’atteindre 15 000 à 20 000 cycles de charge. Elles peuvent également bénéficier d’un rythme de recharge plus rapide. En revanche, elles souffrent d’une faible densité énergétique, si bien qu’elles peuvent nécessiter un nombre plus grand de cellules.

Les batteries présentées précédemment sont les six principaux types actuellement sur le marché. Cependant, d’autres technologies pourraient voir le jour dans les années à venir, ou existent déjà mais sont peu utilisées.

Les batteries présentées précédemment sont les six principaux types actuellement sur le marché. Cependant, d’autres technologies pourraient voir le jour dans les années à venir, ou existent déjà mais sont peu utilisées. Certaines de ces technologies sont présentées comme des solutions miracles pour prévenir les incendies. Qu’en est-il réellement ?

Les batteries “tout-solide” sont citées comme un moyen d’éviter les emballements thermiques. Plusieurs études laissent cependant penser qu’elles peuvent aussi prendre feu. Une thèse réalisée à l’Université Grenoble Alpes indique ainsi que la propagation du feu est possible, y compris lorsqu’il s’agit de batteries “tout solide”. Une autre thèse, réalisée dans la même université, précise dans son résumé que l’idée selon laquelle les batteries tout solide ne seraient pas sujettes à l’emballement thermique “repose principalement sur “des hypothèses peu vérifiées”” et rappelle que ces batteries posent d’importants problèmes techniques.

Les batteries au sodium (Na-ion) sont également présentées comme une solution. Elles semblent en effet moins propices à prendre feu que celles au lithium-ion, et les réserves mondiales de sodium sont largement supérieures à celles de lithium. Cependant, elles ont une faible densité énergétique, à tel point que leur seul usage en France concerne pour le moment un tournevis sans fil vendu par Leroy Merlin.

Une autre solution consiste à ajouter un liquide fluoré et un solvant non polaire dans les batteries. Cette solution est à prendre avec précaution. Si une étude publiée dans la revue Nature conclut à une baisse drastique du risque d’incendie, cette technologie pourrait avoir d’autres conséquences, comme une dégradation des performances de la batterie. Néanmoins, les auteurs de l’étude précisent que “la rétention de capacité atteint 96,7 % après plus de 200 cycles”.