LG prépare une batterie moins chère que les LFP et dotée d’une densité énergétique supérieure de 33 %.

LG Energy Solution vient de faire un pas important pour résoudre l’un des problèmes qui entravaient depuis des années le développement d’une chimie particulièrement prometteuse. La société sud-coréenne, en collaboration avec l’Université nationale de Séoul, a réussi à améliorer de manière significative la durabilité des batteries LMR riches en manganèse, au point de démontrer leur fonctionnement dans des cellules de grande taille conçues pour les voitures électriques.

La recherche, publiée dans Nature Communications, montre qu’une cellule LMR de plus de 40 Ah peut conserver 92,2 % de son énergie initiale après 883 cycles complets de charge et de décharge. Ce qui est intéressant, ce n’est pas seulement ce chiffre, mais aussi la manière dont les chercheurs y sont parvenus : en modifiant les conditions de fonctionnement de la batterie afin de mieux contrôler les réactions de l’oxygène.

La technologie LMR, acronyme en anglais de batteries au lithium riches en manganèse, est envisagée depuis des années comme une alternative possible aux batteries contenant beaucoup de nickel et de cobalt. Dans les chimies à haute performance actuelles, ces matériaux permettent d’obtenir une forte densité énergétique, mais ils augmentent également le coût du produit. Le manganèse, en revanche, est bien plus abondant et moins cher.

Dans les cellules LMR développées par General Motors et LG Energy Solution, la composition est d’environ 65 % de manganèse et 35 % de nickel, avec une présence de cobalt pratiquement négligeable. GM affirme que cette configuration permet d’atteindre une densité énergétique environ 33 % supérieure à celle des meilleures batteries LFP, à un coût comparable.

C’est justement là que résidait le problème. Les batteries LMR utilisent également l’oxygène présent dans le matériau de l’électrode pour stocker de l’énergie. Lors du chargement, une partie de cet oxygène se oxide et, s’il ne parvient pas ensuite à revenir correctement à son état initial pendant la décharge, cela peut finir par endommager la structure interne de la cellule. De plus, du gaz se génère, ce qui est particulièrement problématique lorsqu’il s’agit de grandes cellules destinées à une voiture électrique, où l’espace disponible est limité et une augmentation de la pression interne peut accélérer la dégradation.

Les chercheurs de LG Energy Solution et de l’Université nationale de Séoul ont découvert que la solution résidait en grande partie dans un meilleur contrôle de la fenêtre de fonctionnement. En réduisant la tension maximale de charge de 4,6 à 4,3 volts, le taux de récupération de l’oxygène oxydé est passé de 86 % à 97 %. Ils ont également constaté que la réduction de la tension minimale de décharge de 3,0 à 2,0 volts permettait à l’oxygène de revenir pratiquement à son état initial.

Sur la base de ces résultats, l’équipe a modifié à la fois la plage de tensions et le processus initial de formation des cellules. Cette dernière étape a également été effectuée à une température plus basse afin de réduire encore davantage la génération de gaz. Le résultat a été une cellule LMR de grand format dépassant 40 Ah, qui a conservé 92,2 % de son énergie après 883 cycles complets. L’étude indique en outre une énergie spécifique de 663 Wh/kg, en se basant sur la masse du matériau actif de l’électrode positive, bien que ce chiffre ne doive pas être confondu avec la densité énergétique du pack complet d’une voiture.

Il peut sembler que 883 cycles ne soient pas trop nombreux pour une batterie de voiture électrique, mais ce chiffre change lorsqu’on le convertit en kilomètres parcourus. Si l’on prend comme référence une voiture ayant une autonomie d’environ 640 kilomètres, 883 cycles complets équivaldraient à environ 565 000 kilomètres. Avec un tel niveau d’utilisation, la batterie aurait perdu environ 8 % de son énergie initiale, selon les résultats obtenus en laboratoire.

Il y a un autre détail particulièrement important : les progrès ne dépendent ni de l’introduction d’un matériau entièrement nouveau, ni de la modification complète des usines de batteries. Les chercheurs ont démontré qu’une partie essentielle du problème peut être résolue simplement en optimisant les conditions électrochimiques de fonctionnement. Cela ouvre la voie à une mise en œuvre bien plus simple si les résultats se confirment lorsque cette technologie passera à une production industrielle à grande échelle.

De plus, il ne s’agit pas d’une chimie restée confinée au laboratoire. General Motors et LG Energy Solution travaillent déjà à intégrer les batteries LMR dans des voitures électriques en série. Ces deux entreprises prévoient de commencer la préproduction de cellules prismatiques LMR à la fin de 2027 et d’entamer la production commerciale aux États-Unis en 2028 via Ultium Cells.

L’objectif initial concerne les grands SUV et les pick-up électriques de GM, où le poids et le coût d’une batterie à grande capacité ont un impact particulièrement important. L’entreprise souhaite maintenir une autonomie supérieure à 640 kilomètres tout en réduisant les coûts par rapport aux batteries actuelles à fort taux de nickel. En fait, GM travaille déjà avec cette chimie depuis 2015 et affirme avoir testé des centaines de cellules prismatiques de grand format dans différentes configurations.

La combinaison est particulièrement intéressante car les batteries LMR peuvent occuper une position intermédiaire entre les LFP et les chimies à forte teneur en nickel. Le premier avantage réside dans le coût du manganèse ; le deuxième, une densité énergétique considérablement supérieure à celle des LFP ; et le troisième, la possibilité de maintenir une grande autonomie sans recourir à de grandes quantités de nickel et de cobalt.

Il reste encore à démontrer comment cette technologie se comportera dans des millions de cellules fabriquées en série et dans les conditions réelles d’utilisation d’une voiture électrique. Il faudra également vérifier quelle densité énergétique atteindra finalement l’ensemble du pack et comment son comportement évolue après des milliers de cycles. Cependant, la percée annoncée aujourd’hui par LG Energy Solution et l’Université nationale de Séoul élimine l’un des principaux obstacles qui freinaient depuis des années les batteries LMR : la dégradation causée par les réactions irréversibles de l’oxygène et la génération de gaz.

Si l’industrialisation prévue par GM et LG Energy Solution respecte les délais, les premières applications arriveront en 2028. Cela signifie qu’une batterie capable d’offrir une grande autonomie, d’utiliser beaucoup moins de cobalt et de réduire le coût de production pourrait être bien plus proche des voitures électriques que nous utilisons au quotidien qu’on ne le pensait il y a à peine quelques années.

Source | LG

Points clés

La chimie utilisée contient environ 65 % de manganèse et 35 % de nickel, avec très peu de cobalt.

La densité énergétique peut être 33 % supérieure à celle des meilleures batteries LFP, selon GM.

Une cellule de plus de 40 Ah a conservé 92,2 % de son énergie après 883 cycles.

Le contrôle de la tension lors du chargement et du déchargement permet de récupérer jusqu’à 97 % de l’oxygène oxydé.

GM et LG Energy Solution prévoient de commencer la production commerciale de cellules LMR en 2028.

Les premières applications viseront les grands SUV et pick-up électriques de GM.

Avec une autonomie d’environ 640 kilomètres, 883 cycles équivaldraient à peu près à 565 000 kilomètres.