L'analyse du MIT montre une chute spectaculaire du coût des batteries li-ion, parallèlement aux progrès des énergies renouvelables.

Le coût des batteries rechargeables au lithium-ion utilisées dans les téléphones, les ordinateurs portables et les voitures a chuté de façon spectaculaire au cours des trois dernières décennies et a été l'un des principaux moteurs de la croissance rapide de ces technologies. Mais la tentative de quantifier cette baisse de coût a donné des résultats ambigus et contradictoires qui ont entravé les tentatives de projeter l'avenir de la technologie ou de concevoir des politiques et des priorités de recherche utiles.

Aujourd'hui, des chercheurs du MIT ont réalisé une analyse exhaustive des études qui se sont penchées sur la baisse du prix de ces batteries, qui constituent la technologie rechargeable dominante dans le monde actuel. La nouvelle étude porte sur plus de trois décennies, y compris l'analyse des ensembles de données et des documents sous-jacents originaux lorsque cela est possible, afin de parvenir à une image claire de la trajectoire de la technologie.

Les chercheurs ont constaté que le coût de ces batteries a chuté de 97 % depuis leur introduction sur le marché en 1991. Ce taux d'amélioration est beaucoup plus rapide que ce que de nombreux analystes avaient affirmé et est comparable à celui des panneaux solaires photovoltaïques, que certains avaient considéré comme un cas exceptionnel. Les nouvelles conclusions sont publiées aujourd'hui dans la revue Energy and Environmental Science, dans un article rédigé par Micah Ziegler, post-doc du MIT, et Jessika Trancik, professeur associé.

S'il est clair que les coûts de certaines technologies d'énergie propre comme l'énergie solaire et éolienne ont baissé de façon spectaculaire, M. Trancik explique que lorsqu'ils ont commencé à étudier la baisse des prix des batteries lithium-ion, "nous avons constaté qu'il y avait un désaccord important quant à la vitesse à laquelle les coûts de ces technologies avaient baissé". Des désaccords similaires sont apparus lorsqu'il s'est agi de retracer d'autres aspects importants du développement des batteries, tels que l'amélioration constante de la densité énergétique (énergie stockée dans un volume donné) et de l'énergie spécifique (énergie stockée dans une masse donnée).

"Ces tendances sont si importantes pour nous permettre d'arriver là où nous sommes aujourd'hui, mais aussi pour réfléchir à ce qui pourrait se passer à l'avenir", explique M. Trancik, professeur associé à l'Institut des données, des systèmes et de la société du MIT. S'il était de notoriété publique que la baisse du coût des batteries était un facteur déterminant de la récente croissance des ventes de véhicules électriques, par exemple, l'ampleur de cette baisse n'était pas claire. Grâce à cette analyse détaillée, dit-elle, "nous avons pu confirmer que oui, les technologies de batteries lithium-ion se sont améliorées en termes de coûts, à des taux comparables à ceux de la technologie de l'énergie solaire, et plus particulièrement des modules photovoltaïques, qui sont souvent considérés comme l'étalon-or de l'innovation en matière d'énergie propre".

Il peut sembler étrange qu'il y ait autant d'incertitude et de désaccord sur l'ampleur de la baisse des coûts des batteries au lithium-ion et sur les facteurs qui l'expliquent, mais en fait, une grande partie des informations se présente sous la forme de données d'entreprise étroitement conservées et difficiles d'accès pour les chercheurs. La plupart des batteries au lithium-ion ne sont pas vendues directement aux consommateurs - vous ne pouvez pas courir à la pharmacie du coin pour acheter une batterie de rechange pour votre iPhone, votre PC ou votre voiture électrique. Ce sont plutôt les fabricants qui achètent les batteries au lithium-ion et les intègrent dans les appareils électroniques et les voitures. De grandes entreprises comme Apple ou Tesla achètent des batteries par millions, ou les fabriquent elles-mêmes, pour des prix qui sont négociés ou comptabilisés en interne mais jamais divulgués publiquement.

En plus d'aider à stimuler l'électrification en cours des transports, une nouvelle baisse des coûts des batteries lithium-ion pourrait également accroître leur utilisation dans les applications stationnaires afin de compenser l'intermittence des sources d'énergie propres telles que le solaire et l'éolien. Ces deux applications pourraient jouer un rôle important dans la réduction des émissions mondiales de gaz à effet de serre qui altèrent le climat. "Je ne saurais trop insister sur l'importance de ces tendances en matière d'innovation dans le domaine de l'énergie propre, qui nous ont permis d'arriver là où nous sommes aujourd'hui, où nous commençons à entrevoir une électrification rapide des véhicules et où nous assistons à une croissance rapide des technologies d'énergie renouvelable", déclare M. Trancik. "Bien sûr, il y a encore beaucoup à faire pour lutter contre le changement climatique, mais cela a vraiment changé la donne."

Les nouvelles conclusions ne consistent pas seulement à retracer l'histoire du développement des batteries, mais aussi à aider à orienter l'avenir, souligne M. Ziegler. En examinant toute la littérature publiée sur le sujet de la réduction des coûts des cellules lithium-ion, il a trouvé "des mesures très différentes de l'amélioration historique. Et dans toute une série d'articles différents, les chercheurs utilisaient ces tendances pour faire des suggestions sur la manière de réduire davantage les coûts des technologies lithium-ion ou sur le moment où elles pourraient atteindre les objectifs de coût." Mais comme les données sous-jacentes variaient beaucoup, "les recommandations des chercheurs pouvaient être très différentes." Certaines études suggéraient que le coût des batteries lithium-ion ne baisserait pas assez rapidement pour certaines applications, tandis que d'autres étaient beaucoup plus optimistes. De telles différences dans les données peuvent, en fin de compte, avoir un impact réel sur la définition des priorités de recherche et des incitations gouvernementales.

Les chercheurs ont creusé dans les sources originales des données publiées, découvrant dans certains cas que certaines données primaires avaient été utilisées dans plusieurs études citées ultérieurement comme sources distinctes, ou que les sources de données originales avaient été perdues en cours de route. Et si la plupart des études se sont concentrées uniquement sur le coût, Ziegler explique qu'il est devenu évident qu'une telle analyse unidimensionnelle pourrait sous-estimer la vitesse à laquelle les technologies lithium-ion s'améliorent ; outre le coût, le poids et le volume sont également des facteurs clés pour les véhicules et les appareils électroniques portables. L'équipe a donc ajouté une deuxième piste à l'étude, en analysant également les améliorations de ces paramètres.

"Les batteries lithium-ion n'ont pas été adoptées parce qu'elles étaient la technologie la moins chère à l'époque", explique Ziegler. "Il existait des technologies de batteries moins coûteuses. La technologie lithium-ion a été adoptée parce qu'elle permet de mettre des appareils électroniques portables dans la main, parce qu'elle permet de fabriquer des outils électriques qui durent plus longtemps et sont plus puissants, et parce qu'elle nous permet de construire des voitures" qui peuvent offrir une autonomie suffisante. "J'avais l'impression qu'en regardant les dollars par kilowattheure, on ne voyait qu'une partie de l'histoire", explique-t-il.

Cette analyse plus large permet de définir ce qui pourrait être possible à l'avenir, ajoute-t-il : "Nous disons que les technologies lithium-ion pourraient s'améliorer plus rapidement pour certaines applications que ce que l'on pourrait prévoir en ne considérant qu'une seule mesure de performance. En examinant plusieurs mesures, on obtient essentiellement une image plus claire du taux d'amélioration, et cela suggère qu'elles pourraient peut-être s'améliorer plus rapidement pour les applications où les restrictions sur la masse et le volume sont relâchées."

M. Trancik ajoute que cette nouvelle étude peut jouer un rôle important dans l'élaboration des politiques liées à l'énergie. "Les tendances des données publiées sur les quelques technologies propres qui ont vu leurs coûts diminuer considérablement au fil du temps, à savoir l'énergie éolienne, l'énergie solaire et, maintenant, les batteries lithium-ion, ont tendance à être référencées encore et encore, et pas seulement dans les articles universitaires, mais aussi dans les documents politiques et les rapports de l'industrie", dit-elle. "De nombreuses conclusions importantes en matière de politique climatique sont fondées sur ces quelques tendances. C'est pourquoi il est important de bien les comprendre. Il est vraiment nécessaire de traiter les données avec soin, et d'élever notre niveau général dans le traitement des données technologiques et le suivi de ces tendances."

"Les coûts des batteries déterminent la parité de prix des véhicules électriques avec les véhicules à moteur à combustion interne", explique Venkat Viswanathan, professeur associé d'ingénierie mécanique à l'Université Carnegie Mellon, qui n'a pas été associé à ces travaux. "Ainsi, la projection de la baisse du coût des batteries est probablement l'un des défis les plus critiques pour assurer une compréhension précise de l'adoption des véhicules électriques."

Viswanathan ajoute que "la découverte que la baisse des coûts peut se produire plus rapidement qu'on ne le pensait auparavant permettra une adoption plus large, augmentant les volumes, et conduisant à de nouvelles baisses de coûts. ... Les ensembles de données conservés, analysés et publiés avec cet article auront un impact durable sur la communauté."

Ce travail a été soutenu par la Fondation Alfred P. Sloan.

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Cet article a été initialement publié par le Massachusetts Institute of Technology.
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