C’est le nouvel acronyme à la mode dans l’industrie automobile : LFP. Il désigne un type particulier de batterie lithium-ion, composé d’un alliage lithium-fer-phosphate. Ce choix électrochimique commence à sérieusement concurrencer la composition de référence sur le marché, le NMC (nickel-manganèse-cobalt, présents à la cathode en proportion différentes selon les performances souhaitées). Et au cours des prochaines années, la tendance pourrait s’accélérer. Après le précurseur Tesla, de nombreux constructeurs automobiles sont en train de franchir le pas et commencent à proposer des batteries LFP sur certains de leurs modèles, y compris en Europe où les chimies NMC étaient jusqu’à présent la seule option.
Après le coréen Hyundai en mars et l’américain Rivian en avril, le japonais Toyota a annoncé le 13 juin, la mise en service d’ici 2026 ou 2027 de nouvelles batteries LFP. Le premier constructeur mondial vise à développer grâce à cette technologie des «versions populaires» de ses véhicules. Il a par ailleurs déclaré qu’il visait une augmentation de 20% de l'autonomie et une réduction de 40% du coût par rapport aux batteries NMC qu’il commercialise actuellement. De son côté, Renault serait en pleine négociation avec son futur fournisseur Envision pour être fourni en batteries LFP, selon une information des Echos.
Cette soudaine démocratisation peut surprendre. A y regarder de plus près, le déploiement à grande échelle de cette chimie est pourtant dans les tuyaux depuis quelques années. «Malgré quelques problèmes de performance, les batteries LFP semblent gagner du terrain sur le marché, est-il expliqué dans une récente note publiée par les analystes de Standard & Poor’s. En 2021, les batteries LFP représentaient 26 % du marché. En 2022, ce chiffre est passé à 34 %.» Cette hausse trouve son origine en Chine, qui garde une longueur d’avance sur les technologies de batterie.
La chimie LFP a le vent en poupe
Les leaders du marché, au premier rang desquels Contemporary Amperex Technology Co. Limited (CATL) et BYD, ont depuis quelques années déjà fait du LFP leur chouchou. A tel point qu’en «Chine, où l'adoption des véhicules électriques est la plus importante au monde, les batteries LFP représentent 64,1% de la production», explique encore S&P. Plus de la moitié de la capacité de production de LFP est aujourd’hui installée dans l’Empire du milieu, même si plusieurs projets d’usines – représentant plus de 11 milliards de dollars d’investissements – sont sur les rails aux Etats-Unis.
Dans l’Etat du Michigan, par exemple, Ford s'est associé à CATL pour construire une nouvelle usine de batteries LFP pour un montant estimé à 3,5 milliards de dollars. D’une capacité de 35 GWh/an, l’usine sera en mesure d’équiper 400 000 modèles Ford chaque année à partir de 2026. En Serbie, la première usine de batteries LFP d’Europe, portée par la start-up ElevenES a démarré une petite production cet été, et prévoit de produire 500 mégawattheures (MWh) dès l’année prochaine, avant d’édifier une première gigafactory (8 Gwh/an en 2026) puis d’atteindre 40 GWh en 2028.
Mais comment expliquer l'actuelle émergence de ce composé, découvert dès le milieu des années 1990 par des chercheurs de l’Université du Texas, à Austin ? Les constructeurs communiquent sur son intérêt pour les consommateurs. Les batteries LFP offrent une durée de vie plus longue, un temps de charge plus rapide, et surtout une empreinte carbone un peu plus faible et un prix plus abordable dû à une présence réduite de métaux rares.
Des véhicules électriques plus accessibles
Les constructeurs voient ainsi le LFP comme une bonne manière d’assurer l’accessibilité de véhicules électriques souvent onéreux au plus grand nombre. Moins cher que le NMC, son usage fait automatiquement baisser les prix. Selon le cabinet CRU, les cellules de batteries LFP étaient, en 2022, 30% moins chères que leurs concurrentes NMC. Le prix des matériaux dans un cellule atteignent ainsi 44 dollars du kwh pour les premières, contre 77 pour les secondes !
Une différence significative, mais qui s’estompe pour n’atteindre plus qu’une dizaine de pourcents si l’on prend en compte les coûts de fabrication de la batterie (modules et pack). Et encore moins sur une voiture complète… «Deux choses expliquent l’adoption des batteries LFP : l’une est le prix bien sûr, car le cobalt et le nickel sont très chers et rendent les batteries sensibles aux variations de prix, mais l’autre est la sécurité d’approvisionnement en ressources. Le fer et le phosphate sont relativement disponibles, ce qui favorise la résilience des chaînes d’approvisionnement», explique Olivier Schmidt, chercheur associé à l’Imperial College de Londres et auteur d’un ouvrage à paraître sur les prix du stockage d’électricité. L’enjeu est donc de protéger les prix des voitures contre les variations de cours du nickel (qui devient très coûteux dans les batteries les plus performantes, où l’on trouve huit fois plus de nickel que de cobalt), mais aussi d’atténuer la demande globale en métaux critiques afin de limiter la pression sur les prix.
Au London metal exchange (LME), le cobalt se négocie au prix relativement bas 29 000 dollars la tonne mi-juin, tandis que le nickel s’achète à moins de 23 000 dollars. Mais les prix du premier ont atteint 80 000 dollars début 2022 tandis que la cotation du nickel a même dû être un temps arrêtée en raison de dérèglements du marché.
Une batterie moins chère, mais toujours onéreuse
Limite évidente : le lithium, lui, reste présent en proportions importantes dans les deux types de batteries, et continue de fait son rôle de locomotive du prix du stockage d’électricité. Selon le cabinet Benchmark Mineral Intelligence, ce métal blanc représentait un tiers du prix des cellules NMC classiques en mai 2023 (contre moins de 10% pour le nickel et le cobalt), et un quart du prix des cellules LFP... pour lesquelles des inquiétudes sur l’approvisionnement en acide phosphorique de qualité batterie commencent à poindre.
Pourquoi, dès lors, ne pas utiliser que du phosphate de fer lithié ? C’est que les constructeurs connaissent le revers de la médaille : la baisse de coût est faible et, surtout, se fait au détriment de l’autonomie. Les batteries LFP concentrent en effet une densité énergétique moins importante que leur équivalent NMC. A titre d’exemple, prenons la nouvelle Volvo EX30 qui propose trois motorisations : la plus petite est composée d’une batterie électrique LFP d’une capacité de 51 kWh capable de parcourir jusqu’à 344 km. Les deux autres motorisations disposent d’une batterie NMC de 69 kWh proposant jusqu’à 460 ou 480 km. Nette différence.
D’où une segmentation du marché selon les usages. Cette moindre autonomie est assumée par les constructeurs, qui visent un public urbain ou péri-urbain qui n’effectue pas des déplacements sur de très longues distances. Du côté du constructeur Stellantis, aucun modèle n’est pour l’heure proposé avec ce type de batterie. Mais ça ne saurait tarder. «Nous avons besoin de LFP et nous l'aurons parce que c'est une solution compétitive en termes de coûts pour fabriquer des voitures abordables pour les classes moyennes», a récemment déclaré Carlos Tavares, le PDG du groupe.
Pour rappel, en France, la voiture électrique la moins chère du marché est la Dacia Spring. Fabriquée en Chine et équipée d’une batterie NMC, elle est vendue à partir de 15 800 euros (déduction faite des 5 000 euros de bonus écologique). Une version LFP est-elle au programme, et si oui à quel prix ? Contactée par L’Usine Nouvelle, la marque indique «envisager toutes les solutions possibles». Mais si elle ne ferme pas la porte au LFP, Dacia ne semble pas l’envisager dans l'immédiat. Membre du groupe Renault, la marque préfère en effet «réutiliser les technologies éprouvées du groupe» pour réduire au maximum ses coûts et le prix de ses véhicules.
Le NMC doit rester l’option reine
La répartition future du marché reste incertaine. Selon CRU, le désir d’autonomie des consommateurs et la structuration des chaînes d’approvisionnement en Europe (où le LFP reste très peu présent) devraient permettre au NMC de rester l’option reine d’ici 2030. Mais la situation sera aussi sensible aux évolutions technologiques, qui estompent les différences de performance entre les chimies et les batteries. Alors que le Chinois BYD proposait à la fin des années 2010 son modèle E6 d’une autonomie de 200 km, son nouveau Han revendique une autonomie mixte de 521 km.
CRU La chimie LFP est appelée à s'implanter durablement dans le paysage à mesure que l'électrification des véhicules se répand au niveau mondial. © CRU | mars 2023
A plus long terme, l’ajout de manganèse pourrait encore doper la densité énergétique des batteries phosphatées, qui devront par contre faire face à l’émergence d’autres chimies sans métaux chers, par exemple au sodium, ou à très haut taux de manganèse. L’évolution de la forme des batteries, vers des architectures cell-to-pack ou structurelles, pourraient limiter l’impact de la différence de performance entre les cellules. Alors que le pionnier de la batterie lithium-ion, prix Nobel 2019, John Goodenough, s'est éteint cet été, à l’âge de 100 ans, il est clair que cette technologie en a encore beaucoup sous la pédale.
Avec Antoine Vermeersch
