Le manganèse pourrait être le secret des véritables véhicules électriques grand public

La plupart des constructeurs automobiles meurent d’envie de vous vendre – et le monde – une voiture électrique. Mais ils sont confrontés au défi de notre ère de réchauffement climatique : des approvisionnements terriblement rares de batteries d’origine éthique et des matières premières nécessaires à leur fabrication.

Tesla et Volkswagen font partie des constructeurs automobiles qui se tournent vers le manganèse – l’élément n ° 25 du tableau périodique, qui se situe entre le chrome et le fer – comme le métal le plus récent et abondant qui rendra les batteries et les véhicules électriques suffisamment abordables pour l’acheteur grand public.

Et cela malgré l’histoire décourageante du premier (et unique) véhicule électrique à utiliser une batterie à haute teneur en manganèse à partir de 2011, la Nissan Leaf d’origine. Cependant, comme l’industrie a besoin de toutes les batteries qu’elle peut obtenir, les batteries à haute teneur en manganèse améliorées pourraient se tailler une place, peut-être comme une option de milieu de gamme entre la chimie du phosphate de fer au lithium et les batteries riches en nickel haut de gamme dans les modèles de luxe et de performance haut de gamme. .

« Nous avons finalement besoin de dizaines, voire de centaines de millions de tonnes. Les matériaux utilisés pour fabriquer ces batteries doivent donc être des matériaux courants, sinon vous ne pouvez pas les mettre à l’échelle.
– Elon Musk

Elon Musk a fait sensation lors de la cérémonie d’ouverture de la Tesla Gigafactory Berlin lorsqu’on lui a demandé son avis sur le graphène dans les cellules : « Je pense qu’il y a un potentiel intéressant pour le manganèse », a répliqué Musk.

Parlant de matières premières, il a souligné la fuite en cours de l’industrie du cobalt et maintenant du nickel : « Nous avons finalement besoin de dizaines, voire de centaines de millions de tonnes. Donc, les matériaux utilisés pour fabriquer ces batteries doivent être des matériaux courants ou vous ne pouvez pas les mettre à l’échelle », a déclaré Musk.

Lors du « Power Day » diffusé en direct par Volkswagen en mars – apparemment un coup de chapeau au spectacle « Battery Day » de Tesla – le PDG Herbert Diess a déclenché sa propre frénésie Musk en annonçant que VW construirait une demi-douzaine de gigafactories en Europe d’ici 2030. ont une capacité totale de 240 gigawattheures. VW construit déjà des usines de véhicules électriques au Tennessee et en Chine. Bien que ses véhicules électriques surpassent Tesla en Europe, VW fait face à de fortes pressions concurrentielles de la part de Tesla et du marché chinois, où VW est sous-performant. L’entreprise mondiale veut réduire de moitié ses coûts de batterie pour les modèles d’entrée de gamme et de 30 % pour les voitures de milieu de gamme.

Pour y arriver, VW a introduit une « cellule unifiée » polyvalente qui peut utiliser plusieurs chimies dans une conception prismatique standardisée. Diess a déclaré qu’environ 80% des nouvelles batteries prismatiques de VW rejetteraient le nickel et le cobalt coûteux au profit de matériaux cathodiques moins chers et plus abondants, y compris potentiellement du manganèse.

La stratégie agressive de VW pour amener la production de batteries prismatiques en interne – le même format construit par la société chinoise Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL), qui fournit à la fois VW et Tesla – a pour fournisseurs actuels des batteries de type Pouch, le sud-coréen LG , surprend Energy Solutions et SK Innovation. (VW a essayé de lisser l’eau en disant qu’il honorerait les contrats de batterie existants.)

Alors pourquoi ce mélange incessant de formats et de cathodes ? Et pourquoi le manganèse ? Tout dépend de ce que Musk et d’autres experts citent comme le facteur limitant imminent de l’accélération de la révolution des véhicules électriques : le retard dans la production de batteries et l’extraction et le traitement de leurs matières premières.

À Berlin, Musk a suggéré que le monde aura besoin de 300 térawattheures de production annuelle de batteries pour effectuer une transition complète des voitures à combustibles fossiles. C’est 100 fois ce que Tesla peut produire d’ici 2030, même avec sa propre expansion massive de capacité. Les batteries riches en nickel ne suffiront pas à elles seules à y parvenir, malgré une densité énergétique et des performances actuellement inégalées. D’autres matériaux sont nécessaires, avec un pipeline éthique, diversifié et ininterrompu pour démarrer, même si les batteries qui en résultent comme le manganèse ou le phosphate de fer au lithium – la saveur EV de l’heure – nécessitent des compromis.

« Je peux voir la logique du manganèse devenir cet entre-deux si vous pouvez le réduire à une densité d’énergie raisonnable. »
—Venkat Srinivisan, Laboratoires Argonne

« Le nombre plus élevé de minéraux entrant dans une batterie est une bonne chose », a déclaré Venkat Srinivisan, directeur du Centre collaboratif d’Argonne pour la science du stockage de l’énergie (ACCESS).

En tant que matériau de cathode, le manganèse est abondant, sûr et stable. Mais il n’a jamais atteint la densité énergétique ou le cycle de vie des batteries riches en nickel, prévient Srinivisan. Les acheteurs des premiers Nissan Leafs pourraient être d’accord : Nissan a été contraint de construire ses propres batteries au lithium-oxyde de manganèse avec une conception de « spinelle » semblable à celle d’un gymnase de la jungle moléculaire, car aucun fournisseur n’était disposé ou capable de fournir des batteries à grande échelle. Ces packs basse consommation n’ont fourni que 24 kilowattheures de stockage et une autonomie de 117 kilomètres (73 miles). Même ce stockage et cette gamme ridicules se sont rapidement détériorés, en particulier dans le sud-ouest des États-Unis et d’autres climats torrides, laissant les clients hurler. (Cela n’a pas aidé que Nissan ait oublié un système de gestion thermique pour la batterie.) Une batterie « Lizard » de 2014 avec une chimie au manganèse modifiée a augmenté la capacité à 40 kWh, mais elle a quand même souffert d’une courte durée de vie.

Srinivisan a déclaré que l’histoire des véhicules électriques aux États-Unis a été l’une des demandes insatiables de puissance et d’autonomie, nécessitant les batteries les plus énergiques. Cela signifiait du cobalt, généralement un sous-produit de l’extraction du nickel et du cuivre et l’un des éléments de batterie les plus chers. La production de cobalt est également dominée par la République démocratique du Congo, qui a été liée au travail des enfants dans les mines et à d’autres violations des droits de l’homme. Les piles à faible teneur en cobalt étaient la réponse.

« Tout le monde pense à des substituts au nickel et au cobalt et à la façon de recycler ces choses », explique Srinivisan.

Les cellules Ultium de style pochette de General Motors et LG Energy Solutions – que j’ai récemment testées pour la première fois dans le GMC Hummer EV – utilisent une chimie nickel-cobalt-manganèse-aluminium qui réduit les niveaux de cobalt de plus de 70%. Avec 200 kWh dans un sandwich à cellules à double empilement – deux fois la taille de la plus grande batterie de Tesla – le Hummer renaissant combine une autonomie de 529 km (329 miles) avec une propulsion à trois moteurs, 1 000 chevaux et une explosion de 3,0 secondes à 60 mph en le mode Watts to Freedom (WTF). Cette batterie, de loin la plus grande jamais installée sur un véhicule électrique, contribue également pour 1 315 kilogrammes au poids à vide gargantuesque du Hummer de 4 082 kilogrammes. (Alors que GM accélère la production de masse à Detroit, le Hummer seul pourrait provoquer une pénurie de batteries.)

Comme pour les meilleures cellules de Tesla, les cellules de GM n’utilisent que de petites quantités de manganèse pour stabiliser les structures, et non comme matériau de cathode principal.

Selon la société mondiale de matériaux et de recyclage Umicore, plus de 90 % du manganèse est extrait pour la production de fer et d’acier inoxydable, et moins de 1 % entre dans les batteries.

Le deuxième minéral cathodique populaire était le nickel, avec un approvisionnement plus diversifié que le cobalt congolais mais à peine à l’abri des préoccupations géopolitiques. Les stocks mondiaux de nickel étaient déjà en baisse avant que la Russie n’envahisse l’Ukraine en février. Les investisseurs et les commerçants sont devenus nerveux à propos des interdictions ou des perturbations potentielles sur les métaux en provenance de Russie, qui produit environ 17 % du nickel mondial de haute pureté. En mars, les prix du nickel ont doublé pratiquement du jour au lendemain, dépassant brièvement les 100 000 dollars la tonne pour la première fois, ce qui a incité la Bourse des métaux de Londres à suspendre les échanges pendant la course folle.

Pour toutes ces raisons – prix des matières premières, politique, éthique, sécurité, rareté, stratégie à long terme et paris de couverture – l’industrie se lance dans une stratégie de diversification, un méli-mélo de solutions. Ou du moins jusqu’à ce qu’un futur lauréat du prix Nobel propose quelque chose pour remplacer complètement le lithium-ion.

Même le nickel est en jeu pour le constructeur automobile capricieux – du moins pour ceux qui se concentrent sur la Chine ou les véhicules électriques plus abordables et à autonomie modeste. Tesla, VW, Ford, les entreprises chinoises et d’autres se tournent rapidement vers la chimie du phosphate de fer au lithium (LFP) – inventée dans les années 1990 et considérée comme l’actualité d’hier jusqu’à récemment – pour les modèles grand public ou commerciaux. Ces batteries ne nécessitent ni nickel ni cobalt, juste beaucoup de fer et de phosphate. Musk a confirmé un « passage à long terme » au LFP pour les voitures d’entrée de gamme (y compris le modèle 3) ou le stockage d’énergie.

Les batteries à haute teneur en manganèse envisagées par Musk et VW utiliseraient également moins de nickel et pas de cobalt. Ils semblent abordables : selon les analystes de Roskill cités à Power Day, une chimie lithium-nickel-oxyde de manganèse pourrait réduire les coûts de cathode de 47 % par kilowattheure par rapport aux conceptions riches en nickel. Cela amène VW à envisager d’utiliser le manganèse comme solution potentielle pour les modèles grand public, avec LFP pour les véhicules ou les marchés de niveau inférieur, et des packages hautes performances sur mesure pour Porsche, Audi, Bentley ou Lamborghini.

« Je peux voir la logique selon laquelle le manganèse devient cet entre-deux si vous pouvez le réduire à une densité d’énergie raisonnable », déclare Srinivisan. Les constructeurs automobiles pourraient compenser le coût inférieur de la cathode du manganèse avec des batteries légèrement plus grandes pour rapprocher la gamme des conceptions riches en nickel.

En 2020, Musk a exprimé son optimisme à propos du minéral lors du Tesla Battery Day :

« Il est relativement facile de fabriquer une cathode composée de deux tiers de nickel et d’un tiers de manganèse, ce qui nous permet de produire 50 % de volume de cellule en plus avec la même quantité de nickel », a déclaré Musk.

Alors que Musk peine toujours à mettre sur le marché sa cellule cylindrique grand format 4680 – maintenant avec beaucoup de retard – les experts préviennent que les défis techniques ne sont pas si simples. Les batteries à haute teneur en manganèse doivent encore démontrer qu’elles sont prêtes pour le marché.

Mais l’ampleur épique du défi oblige les constructeurs automobiles et les fabricants de batteries à travailler dans les laboratoires, parcourant le monde à la recherche de matériaux aussi courants que la saleté et moins précieux que l’or.