par Ceki Gülcü, le 7 mars 2025
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Les batteries de bon nombre de voitures électriques utilisent la composition chimique LiFePO4 pour la cathode. On parle de batteries LFP pour désigner la chimie LiFePO4. C'est le cas de 40% des Teslas modèles 3 et modèles Y vendues au monde. Quelle est la répartition de poids des différents composants dans ces batteries, en particulier le lithium?
Pour répondre à cette question, considérons la batterie d'un Modèle 3 standard avec une capacité énergétique d'environ 60kWh, ayantdavec une densité énergétique de 125 Wh au kilogramme constitué des celludes au format 21700. Il est important de noter que cette densité inclut le pack dans son ensemble. Ce sont des valeurs moyennes pour 2022. Les pack de batteries LFP plus récentes sont en général plus légères de 10%.
Partant de là, le poids total de la batterie (du pack complet) serait de 60'000wh/125wh/kg, soit 480 kg.
Un pack de batterie lithium-ion comprend :
Dans un pack de batterie pour véhicule électrique, les cellules représentent généralement 70 à 80 % du poids total, tandis que les composants additionnels du pack (emballage, BMS, refroidissement) représentent 20 à 30 %. Pour les batteries LFP, qui ont une densité énergétique plus faible que les chimies NMC ou NCA, les composants du pack peuvent être légèrement plus lourds en proportion en raison de la nécessité d'un plus grand nombre de cellules pour atteindre la capacité donnée. Supposons une répartition de :
Poids des cellules :
Poids des cellules=0,75×480=360 kg
Poids de l'emballage (pack) :
Poids de l’emballage=0,25×480=120kg
À l'intérieur des cellules LiFePO4 (format 21700 ou autre), le poids est réparti entre :
Les proportions exactes varient selon le design spécifique du fabricant, mais des estimations typiques pour une cellule lithium-ion (y compris LFP) sont les suivantes :
Pour une cellule LFP, la cathode (LiFePO4) est plus lourde que dans d'autres chimies (comme NMC) en raison de sa densité énergétique intrinsèquement plus faible. Prenons une répartition raisonnable basée sur les caractéristiques des cellules LiFePO4:
Calculs pour les cellules (360 kg au total) :
Pour un pack de batterie LiFePO4 de 60 kWh avec une densité énergétique de 125 Wh/kg :
La cathode LiFePO4 est un composant clé des batteries lithium-ion, notamment pour les applications dans les véhicules électriques, en raison de sa sécurité, de sa longue durée de vie et de sa stabilité thermique. Selon notre estimation ci-dessus, le poids total de la cathode est de 162 kg, et il inclut non seulement le matériau actif (LiFePO4), mais aussi le liant (souvent du PVDF, polyvinyleidène fluorure) et l'additif conducteur (comme le carbone noir ou le graphite), nécessaires pour améliorer la conductivité électrique, car le LiFePO4 a une conductivité intrinsèque faible.
Pour estimer le poids du LiFePO4 dans une cathode de 162 kg, nous prenons une valeur moyenne de 85 % comme point de départ, basé sur des études comme celles publiées dans Structure and performance of LiFePO4 cathode materials: A review. Cela donne :
Poids du LiFePO4 = 0,85 × 162 kg = 137,7 kg, arrondi à 138 kg pour simplifier. Cette estimation est cohérente avec des formulations où le LiFePO4 est la composante principale, participant à la réaction d'insertion/extraction des ions de lithium.
Pour déterminer la répartition en poids des éléments chimiques dans une cathode de LiFePO4 (lithium fer phosphate) pesant 138 kg (hors liant et additif conducteur), nous devons nous baser sur la composition chimique de LiFePO4 et calculer la contribution de chaque élément (Li, Fe, P, O) en fonction de leurs masses molaires.
La masse molaire de LiFePO4 est la somme des masses molaires des éléments qui le composent :
Masse molaire totale de LiFePO4 = 6,94 + 55,85 + 30,97 + 64,00 = 157,76 g/mol
On calcule la fraction massique de chaque élément dans une mole de LiFePO4 :
On applique ces pourcentages à la masse totale de 138 kg :
La répartition en poids des éléments chimiques dans 138 kg de LiFePO4 est approximativement :
Notez que ces résultats supposent que les 138 kg correspondent uniquement au composé actif LiFePO4 dans la cathode, comme spécifié plus haut.
Aujourd'hui, le 7 mars 2025, le prix du carbonate de lithium (qualité batterie, 99,5 % min, spot Chine) est d’environ 10'330 USD par tonne métrique, selon les données récentes disponibles.
Le poids relatif du Lithium dans le carbonate de lithium (Li2C03) est 19%. Donc, pour avoir 6.07 kilos de lithium, il faut acheter 32.3 kg de carbonate de lithium pour un coût de 333 USD par pack.
Les pellets de fer en minerait se vendent entre 10 à 15c le kg. Pour en avoir 48.85 kg, le coût en serait de l'ordre 5 USD.
Pour un usage industriel, le phosphore se vend sous forme d'acide phosphorique (H3PO4). Pour une pureté de 85%, son prix actuel est de 1 USD par kg. Partant de sa composition atomique, la proportion de phosphore dans H3P04 est environ 31.6%, à 85% de pureté 1 kg d'acide phosphorique contient 286g de phosphore.
Pour avoir 27.09 kg de phosphore, il faut acheter 94.72 kg d'acide phosphorique pour un coût approximatif de 95 USD.
Le coût de fabrication d'un pack de batterie LFP de 60kWh est environ 100 USD par kWh pour les cellules, soit 6'000 USD et 30% supplémentaires pour les composants du pack, soit 9'000 USD au total.
En comparaison, les matières premières coûtent moins de 450 USD, soit 5% du coût total.
Donc, pour une batterie LFP, ce ne sont pas les matières premières qui font défaut mais le processus de fabrication qui reste compliqué et relativement onéreux.
La quantité de lithium requis, soit 6kg par pack de 60kWh, ne coûterait que 333 USD.