Comment la batterie lithium-ion a-t-elle relancé la voiture électrique ?

La batterie lithium-ion, avec sa haute densité énergétique et ses coûts en baisse, a résolu le problème centenaire de l'autonomie et du poids de la voiture électrique, rendant le véhicule électrique moderne techniquement possible. Cet article raconte l'histoire qui s'étend des années 1890 à 1991 et la manière dont cette révolution a remodelé l'automobile.

La voiture électrique a-t-elle en réalité commencé avant l'essence ?

Contrairement à ce que pensent de nombreux lecteurs, oui. L'histoire de la voiture électrique commence presque à la même époque que le moteur à combustion interne, et durant le premier demi-siècle, l'électricité n'était pas du tout une technologie marginale. Entre 1827 et 1828, le prêtre hongrois Ányos Jedlik fabriqua le premier moteur électrique et fit fonctionner un petit véhicule modèle. Entre 1832 et 1839, l'Écossais Robert Anderson développa une voiture électrique rudimentaire ; mais les cellules galvaniques ne pouvaient pas encore être rechargées, le véhicule fonctionnait donc avec un réservoir d'énergie à usage unique. En 1837, Robert Davidson construisit à Aberdeen le premier prototype de locomotive électrique ; en 1841, la version agrandie, Galvani, tira une charge de 6 tonnes sur 1,5 mile à une vitesse de 4 miles par heure. Les cheminots, craignant de perdre leur emploi, détruisirent la machine - c'est à une date aussi précoce que la technologie rencontra sa première résistance.

Le point de rupture vint en 1859 : la batterie plomb-acide de Gaston Planté rendit possible, pour la première fois, le stockage d'énergie rechargeable dans un véhicule. Cette chimie s'avéra si robuste qu'elle est encore utilisée aujourd'hui dans les batteries de démarrage des véhicules à moteur à combustion interne. Vers 1884, Thomas Parker mit en service des tramways électriques en Angleterre et produisit des prototypes de voitures électriques.

De Morrison à Jenatzy : le premier âge d'or

Du côté américain, le point de référence est William Morrison. En 1890, il déposa un brevet pour sa voiture électrique à Des Moines, dans l'Iowa ; le véhicule était à traction avant, produisait 4 chevaux, atteignait 20 mph et, avec ses 24 cellules de batterie, nécessitait une recharge après 50 miles. Il fit sensation à l'Exposition universelle de Chicago en 1893. À Philadelphie, Salom et Morris obtinrent en 1894 le brevet de l' Electrobat ; en 1896, il offrait une autonomie de 25 miles avec deux moteurs de 1,1 kW, et cette même année, il remporta les courses de sprint de cinq miles contre les automobiles à essence Duryea.

Les chiffres montrent clairement la popularité de la première époque : en 1900, 28 % des voitures en circulation aux États-Unis étaient électriques ; un tiers des 160 voitures exposées au premier salon automobile était électrique. Pour l'usage urbain, l'électricité présentait de réels avantages - silencieuse, propre, elle démarrait d'un simple tour de clé et tombait rarement en panne. En 1899, Camille Jenatzy, avec ses deux moteurs de 25 kW et sa carrosserie en alliage d'aluminium partinium, réalisa avec la La Jamais Contente devint la première personne à franchir les barrières des 100 km/h et 60 mph. À New York, l'Electric Vehicle Company exploita plus de 600 taxis électriques grâce à des stations de remplacement de batteries ; à Londres, le premier service de taxis électriques avait été fondé en 1897.

Pourquoi l'essence a-t-elle gagné ? Anatomie de la rivalité entre l'électrique et l'essence

La première défaite du véhicule électrique n'était pas une défaite de performance, mais une défaite d'économie d'ingénierie. Quatre facteurs étaient déterminants, et tous étaient mesurables :

• Coût : les électriques étaient presque deux fois plus chers que les thermiques et étaient considérés comme un article de luxe. En 1908, alors que la Ford Model T coûtait 850 dollars, la plupart des électriques se vendaient au moins deux fois plus cher ; en 1923, quand la Model T est passée sous les 300 dollars, beaucoup d'électriques étaient dix fois plus chers.
• Autonomie et stockage d'énergie : un bidon d'essence de secours était bien plus léger qu'une batterie de rechange - c'est précisément ce ratio de masse qui était au coeur du problème.
• Infrastructure : il n'y avait aucune possibilité de recharge dans les zones rurales non électrifiées ; l'essence, elle, était une énergie stockable vendue partout.
• Démarrage : en 1912, le démarreur électrique de Charles Kettering (sur la première Cadillac) élimina la manivelle et effaça l'avantage d'usage fondamental des électriques.

Pour résumer en une phrase, la densité énergétique de la batterie au plomb ne pouvait pas répondre aux exigences de masse et d'autonomie de l'automobile. Detroit Electric parvint néanmoins à produire plus de 35 000 véhicules entre 1907 et 1939 ; Clara Ford, l'épouse de Henry Ford, utilisa une Detroit Electric entre 1908 et 1914. En Angleterre, les "milk float", véhicules électriques de distribution de lait, ont fonctionné jusqu'aux années 1980 et le pays fut pendant la majeure partie du XXe siècle le plus grand utilisateur de véhicules routiers électriques au monde - mais il s'agissait de véhicules à mission étroite, non d'automobiles polyvalentes.

Les tentatives intermédiaires du XXe siècle : plus la batterie est lourde, moins on avance

À partir des années 1920, la voiture électrique s'est marginalisée mais n'a pas totalement disparu ; chaque tentative a prouvé une fois de plus que le problème venait toujours de la batterie. Au Japon, la Tama de 1947, avec sa batterie au plomb, accomplissait des missions de taxi à 20 mph de vitesse et 40 miles d'autonomie. La Henney Kilowatt (1959-1960) porta la tension de 36 V à 72 V pour atteindre 60 mph de vitesse et 60 miles d'autonomie ; pourtant, seuls environ 100 châssis furent produits et 47 voitures vendues.

L'expérience Electrovair II de GM (1966) est un point de données illustrant la gravité de la situation : batteries argent-zinc, tension système de 532 V, 115 ch et 40 à 80 miles d'autonomie - mais les batteries ne tenaient que 100 cycles de charge et le pack coûtait 160 000 dollars en argent de l'époque. En 1971-72, le Lunar Roving Vehicle (LRV) servit un objectif différent, la fiabilité ultime : avec des moteurs GM Delco et des batteries argent-zinc non rechargeables, pour un coût de 38 millions de dollars. Après l'embargo OPEC de 1973, l'intérêt renaquit : la Citicar mise en vente en 1974 était modeste avec ses 2,5 ch et environ 25 mph, mais sa production totale de 4 444 exemplaires en fit le plus grand constructeur de véhicules électriques des États-Unis d'après-guerre jusqu'en 2013. La GM de 1977, Electrovette les prototypes étaient au plomb-acide, ils parcouraient 50 miles à 30 mph ; ils ont été mis de côté lorsque les attentes sur le prix de l'essence ne se sont pas réalisées.

GM EV1 : le véhicule qui s'est confronté très tôt au problème de la batterie

Dans les années 1990, l'obligation californienne de véhicules à zéro émission a donné naissance au premier VE sérieux d'un constructeur automobile de l'ère moderne. GM est passé du concept Impact à la production et EV1 a commencé à le louer en 1996-97 ; les locataires l'ont reçu en 1997 et environ 1 000 exemplaires ont été loués au total. Le premier modèle était doté d'une batterie plomb-acide ; l'option nickel-métal-hydrure (NiMH) arrivée plus tard offrait une autonomie de 70 à 160 miles - un bond notable dans la chimie de l'époque, mais insuffisant.

Les dernières voitures ont été produites en 1999 ; GM a annulé le programme en 2003 en raison du coût de production élevé et du marché restreint, a mis fin aux contrats de location, a repris les véhicules et en a détruit la plupart. Des protestations citoyennes ont eu lieu ; Francis Ford Coppola fut l'un des rares à pouvoir conserver sa voiture. Ce qui a précisément déterminé la fin de l'EV1 fait encore débat aujourd'hui : le récit dominant met en avant les coûts et la taille du marché, tandis qu'une lecture alternative place au centre la crise financière de GM en 1992 et le changement de direction (la présidence de Jack Smith). Le point commun est le suivant : les chimies plomb-acide et NiMH n'atteignaient pas la densité énergétique nécessaire pour rendre une automobile rentable et pratique. La pièce manquante était le lithium-ion.

Comment la révolution du lithium-ion a-t-elle commencé ?

Les recherches fondamentales sur la batterie lithium-ion ont été publiées dans les années 1970 ; John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham et Akira Yoshino ont partagé le prix Nobel de chimie 2019 pour ces travaux. La percée commerciale est arrivée en 1991 : Sony a commencé à produire et vendre les premières batteries lithium-ion rechargeables au monde en utilisant le concept de Yoshino - c'est ce produit qui a reçu le nom de "lithium-ion". La batterie a d'abord équipé les caméras, puis les autres appareils électroniques grand public ; le véhicule électrique n'était pas encore à l'ordre du jour, mais le réservoir d'énergie qui le rendrait possible était désormais produit en série.

Les chiffres initiaux expliquent en nombres pourquoi cette technologie a pris l'avantage. Les premières cellules commerciales offraient une densité énergétique volumique d'environ 200 Wh/L - près du double des systèmes contemporains. La densité gravimétrique est passée de la fourchette de 100 à 120 Wh/kg à plus de 300 Wh/kg ; depuis sa mise sur le marché, la densité volumique a triplé en trois décennies. La courbe la plus frappante concerne le coût : les batteries lithium-ion sont passées d'environ 9 200 dollars par kWh à 78 dollars - une baisse de plus de 99 %. La plupart des transitions technologiques offrent soit de la performance, soit une baisse des coûts ; le lithium-ion a réalisé les deux en même temps, et cela suffit à transformer une automobile.

Du laboratoire à l'automobile : la ligne qui va du tzero à la Tesla Roadster

Lorsque les cellules lithium-ion de l'électronique grand public sont devenues accessibles, les ingénieurs automobiles ont été parmi les premiers à s'en apercevoir. En 1997, la société AC Propulsion d'Alan Cocconi tzero a présenté le : 150 kW (201 ch) et une batterie plomb-acide. Martin Eberhard a commandé un tzero au lithium-ion ; le résultat fut un 0 à 60 mph en 3,7 secondes - pour un coût estimé de 220 000 dollars. Ce prototype était la preuve qu'un sportive au lithium-ion à faible volume mais à prix élevé pouvait trouver un marché.

En 2003, Eberhard et Marc Tarpenning ont fondé Tesla Motors ; Elon Musk a d'abord tenté de convaincre AC Propulsion de produire, puis a investi dans Tesla. En 2008, la Tesla Roadster production a commencé : premier véhicule électrique de sport produit en série au monde à utiliser une batterie lithium-ion. La première génération utilisait un système de propulsion sous licence AC Propulsion et était construite sur la base de composants de la Lotus Elise. Le tableau technique était le suivant :

• Autonomie EPA : 244 miles (393 km) - l'un des premiers véhicules de série à afficher une autonomie de 200 miles.
• 0-100 km/h : 3,9 secondes; 288 ch.
• Batterie : 53 kWh lithium-ion.
• Production : plus de 2 400 exemplaires entre 2008 et 2012 ; prix en 2010 : 109 000 $.
• Durabilité : le pack moyen devait conserver 80 à 85 % de sa capacité initiale après 100 000 miles.

La véritable contribution du Roadster n'était pas la technologie, mais la preuve : avec un pack lithium-ion, une réelle autonomie, de réelles performances et une durée de vie raisonnable de la batterie pouvaient coexister dans le même véhicule. En 2011, la Nissan Leaf, premier EV de grand constructeur à plateforme dédiée, est partie sur les routes avec un pack lithium-ion de 24,0 kWh et, en janvier 2018, elle est devenue le véhicule tout électrique le plus vendu de l'histoire avec plus de 300 000 ventes ; ce record a ensuite été surpassé par la Tesla Model 3. L'expertise en ingénierie héritée de l'EV1, elle, a continué de vivre dans les lignes Chevrolet Volt et Bolt.

Où en est la transformation aujourd'hui ?

La reconfiguration de l'industrie automobile par le lithium-ion se mesure à l'échelle : d'ici la fin 2020, les ventes cumulées de véhicules électriques légers à prise ont dépassé les 10 millions d'unités. La courbe des coûts continue de baisser - le prix des batteries devrait descendre autour de 80 $/kWh d'ici 2026 ; en 2025, les batteries de chimie LFP sont en moyenne plus de 40 % moins chères par kWh que les chimies alternatives. Le premier chapitre de la révolution a été écrit par le lithium-ion ; la question ouverte de savoir si le chapitre suivant sera écrit avec les batteries à l'état solide reste posée aux ingénieurs.

En résumé : comment la révolution du matériel a-t-elle rendu possible une révolution du marché ?

La voiture électrique avait une part de marché en 1900, mais sa batterie n'a pas su la conserver ; GM a produit le EV1, mais sa batterie n'a pas pu supporter la rentabilité. Le lithium-ion a franchi les deux seuils : la densité énergétique a résolu l'autonomie, la courbe des coûts a résolu le prix. La Tesla Roadster fut la première voiture au croisement de ces deux courbes ; la flotte actuelle de 10 millions est le prolongement d'une chaîne commencée en 1991 avec la batterie d'un appareil photo. Le matériel s'est préparé, le marché l'a suivi - l'ordre a toujours été celui-là, jamais l'inverse.

Sources

• Timeline: History of the Electric Car
• First Electric Car: A Brief History of the EV, 1830 to Present
• History of the electric vehicle
• Lithium-ion battery
• Sony press release on lithium-ion commercialization
• Charging Up the Development of Lithium-Ion Batteries
• Battery costs have declined by 99%
• General Motors EV1
• EV1 Electric Car - National Museum of American History
• Driving the future, then and now: the story of the EV1
• Tesla Roadster (first generation)
• Tesla Roadster battery longevity
• Electric vehicle batteries - IEA Global EV Outlook 2026
• Electric vehicle battery prices