Dans le boom des batteries qui accompagne l’électrification du monde, le cobalt fait figure de trouble-fête. Utilisé pour améliorer la stabilité de la borne positive des accumulateurs lithium-ion – qui dominent largement le marché des batteries pour l’électronique portable et les voitures électriques - ce métal se voit reprocher ses conditions d’extractions, dont les effets sociaux et environnementaux sont régulièrement critiqués.
Face à cette situation - à laquelle s’ajoute un coût élevé dû à la criticité - les constructeurs multiplient les recherches pour évincer le métal honni de leurs produits. Dernier exemple en date : le géant de l’électronique Panasonic déclarait, lors de l’édition 2021 du CES de Las Vegas, prévoir de démarrer une production de cellules de batteries haute-densité sans cobalt d’ici deux à trois ans, rapporte le site spécialisé CleanTechnica. Une annonce à mettre en relation avec l’objectif affiché lors du dernier Battery Day de Tesla, en septembre 2020, lors duquel la star de l’automobile électrique avait officialisé plancher sur une batterie sans cobalt… sans dévoiler de calendrier.
Un métal idéal
C’est que dans les batteries au lithium, il n’est pas si simple de se passer du cobalt. Dans les cellules électrochimiques qui composent les accumulateurs lithium-ion, le cobalt se retrouve à la borne positive (la cathode). Un choix ancien, quand les premières cathodes étaient composées intégralement de cobalt. “Le premier matériau utilisé a été un oxyde de cobalt lamellaire, dit LiCoO2” détaille Sébastien Patoux, chef du service des technologies batteries du CEA-Liten. Pour saisir l’intérêt du cobalt, il faut d’abord comprendre le fonctionnement d’une batterie. Au cœur d’une cellule d'accumulateur lithium-ion, on ne trouve généralement pas de lithium sous forme solide (qui formerait l’une des bornes de la batterie), mais des ions-lithium qui sont transférés entre la borne positive (la cathode) et la borne négative (l’anode) à chaque cycle de charge et décharge.
Pour cela, les cathodes prennent une forme très particulière. Une structure dite lamellaire, que l'on peut visualiser comme une sorte de sandwich. “Les structures lamellaires permettent de superposer des couches d'oxyde de cobalt et des couches de lithium, décrit Caroline Celle, responsable du laboratoire des matériaux au sein du service batterie du CEA. Lorsque l’on charge la batterie, le lithium intercalé dans les couches de cobalt sort de l’électrode positive pour aller vers l’électrode négative, en général composée de graphite. La structure est alors maintenue par le cobalt”.
Le métal sert donc d'échafaudage destiné à structurer la cathode pour accueillir les ions-lithium (qui transportent l’énergie au sein de la batterie). A chaque charge ou décharge, il réagit chimiquement avec eux pour libérer ou capter les électrons qui circulent dans le circuit. Mais d’autres matériaux ne peuvent-ils pas jouer ce rôle ? “Le cobalt est un bon compromis dans un spectre de choix limité, explique Sébastien Patoux. C’est un élément de transition (qui peut perdre et gagner des électrons), il permet de réaliser des structures lamellaires, il n’est pas trop lourd et il confère au matériau une bonne conductivité électronique, une bonne stabilité chimique et une tension de fonctionnement intéressante, de l'ordre de 4 volts.”
Réduire les taux... en restant stable
Depuis plusieurs années, la tendance est à la réduction du cobalt au profit d’autres éléments de transition intégrés dans les cathodes lamellaires, au premier rang desquels le nickel et le manganèse. Les électrodes positives sont alors adoubées "NMC", pour "nickel-manganèse-cobalt", suivi d'un chiffre indiquant le rapport entre les différents composants. Tesla utilise aussi des batteries NCA, où l’aluminium prend la place du manganèse. De quoi diminuer le coût de batteries, mais aussi en améliorer la capacité et la densité d'énergie.
Dans un mix où “le nickel apporte de l’énergie, le manganèse de la sécurité et le cobalt de la durée de vie et de la stabilité, l’optimisation des recettes de synthèse a tout doucement permis à la part de nickel d’augmenter”, relate Sébastien Patoux. D’un mélange à part égales (NMC 1-1-1) au début des années 2000, les batteries ont progressivement réduit le cobalt pour atteindre des proportions où les teneurs en cobalt deviennent anecdotiques : 6-2-2 et 8-1-1 dans le commerce et même 9-½-½ (soit seulement 5% de cobalt pour 90% de nickel dans les couches constituées par les éléments de transition) dans les laboratoires. Un travail qui ne permet pourtant pas de se passer totalement de cobalt, jugent les scientifiques, en arguant de la stabilité que confèrent ses propriétés chimiques intrinsèques.
Une multitude d’alternatives
Dans les laboratoires pourtant, de nombreuses formulations alternatives pour les batteries lithium-ion existent déjà. “Il y a une multitude de travaux, souvent matures, détaille Sébastien Patoux. Mais dans les batteries lithium-ion commerciales, l’évolution a presque toujours été incrémentale : il y a eu peu de ruptures.” D’autant que chaque avancée prend du temps : “un accumulateur est composé d’un matériau d'électrode positive, d’un matériau d'électrode négative, d’additifs conducteurs, de liants polymères, d'un sel de lithium et de ses solvants, d'un séparateur, de collecteurs de courant… Le moindre changement d’un côté a un impact sur toute la cellule, alors que la maîtrise est importante pour éviter les défaillances et les emballements thermiques.”
Au-delà des recherches, plusieurs batteries lithium-ion sans structure lamellaire sont produites et utilisées. Les acronymes sont légion. Parmi les plus connues, l’oxyde de manganèse (LMO) ou sa version haute-tension manganèse-nickel (LMNO) à la structure spinelle sont déjà utilisés, malgré leur durée de vie moins importante.
Autre piste : le phosphate de fer lithié (LFP). “Une option sur laquelle le CEA a beaucoup travaillé au début des années 2000, qui est aujourd’hui abondamment commercialisée par la Chine pour des bus et des voitures, mais dont les ventes n’ont pas beaucoup progressé en dehors de la Chine en raison de sa densité énergétique plus faible”, explique Sébastien Patoux. Ironie de l’innovation, la batterie qui n’avait pas convaincu “revient aujourd’hui sur le devant de la scène alors que de nombreux constructeurs automobiles communiquent dessus en alternative au cobalt”, décrit le scientifique.
En février 2020, Reuters révélait que Tesla travaillait avec le chinois CATL pour équiper une partie de ses voitures avec ce type de batteries, moins chères et plus durables. A plus long terme, des technos sans cobalt - lithium-soufre ou sodium-ion - sont aussi envisagées. Des stratégies qui ne menacent pas le règne du cobalt, au moins à court terme, juge Sébastien Patoux. Face à l'augmentation drastique de la demande de batteries dans le monde, "toutes les technologies seront développées en même temps”, estime le scientifique. La question des conditions d'extraction du métal critique n'a pas fini de se poser.
