Par
Les chercheurs du MIT ont découvert que le facteur le plus important dans la baisse spectaculaire des coûts des batteries lithium-ion au cours des dernières décennies était la recherche et le développement, en particulier dans les domaines de la chimie et de la science des matériaux. Crédit : MIT News, iStockphoto
Une nouvelle étude révèle que les investissements dans la R&D sur les matériaux et la chimie étaient essentiels, tandis que les économies d’échelle ont contribué un peu moins.
Les batteries lithium-ion, ces merveilles d’énergie légère qui ont rendu possible l’ère actuelle de l’électronique portable et des véhicules électriques, ont plongé dans les coûts depuis leur introduction il y a trois décennies à un rythme similaire à la baisse des prix des panneaux solaires, comme le documente une étude publié en mars dernier. Mais qu’est-ce qui a provoqué une baisse des coûts aussi étonnante, d’environ 97 % ?
Certains des chercheurs à l’origine de cette étude précédente ont maintenant analysé ce qui explique les économies extraordinaires. Ils ont découvert que le facteur le plus important était de loin le travail de recherche et développement, en particulier en chimie et en science des matériaux. Cela l’emportait sur les gains obtenus grâce aux économies d’échelle, même si cela s’est avéré être la deuxième catégorie de réductions en importance.
Les nouvelles découvertes ont été publiées le 22 novembre 2021 dans la revue Sciences de l’énergie et de l’environnement, dans un article de AVEC postdoc Micah Ziegler, récent étudiant diplômé Juhyun Song PhD ’19, et Jessika Trancik, professeur à l’Institute for Data, Systems and Society du MIT.
Les résultats pourraient être utiles aux décideurs politiques et aux planificateurs pour aider à orienter les priorités de dépenses afin de poursuivre la voie vers des coûts toujours plus bas pour cette technologie et d’autres technologies cruciales de stockage d’énergie, selon Trancik. Leurs travaux suggèrent qu’il y a encore beaucoup de place pour de nouvelles améliorations dans les technologies des batteries électrochimiques, dit-elle.
L’analyse a nécessité de fouiller dans diverses sources, car la plupart des informations pertinentes sont constituées de données commerciales exclusives étroitement détenues. « L’effort de collecte de données a été considérable », déclare Ziegler. « Nous avons examiné des articles universitaires, des rapports de l’industrie et du gouvernement, des communiqués de presse et des fiches techniques. Nous avons même examiné certains documents juridiques qui ont été publiés. Nous avons dû rassembler des données provenant de nombreuses sources différentes pour avoir une idée de ce qui se passait. » Il dit qu’ils ont collecté “environ 15 000 points de données qualitatives et quantitatives, sur 1 000 enregistrements individuels provenant d’environ 280 références”.
Les données des temps les plus reculés sont les plus difficiles d’accès et peuvent avoir les plus grandes incertitudes, dit Trancik, mais en comparant différentes sources de données de la même période, ils ont tenté de tenir compte de ces incertitudes.
Dans l’ensemble, dit-elle, “nous estimons que la majorité de la baisse des coûts, plus de 50 %, est due aux activités liées à la recherche et au développement”. Cela comprenait à la fois la recherche et le développement financés par le secteur privé et le gouvernement, et « la grande majorité » de cette baisse des coûts dans cette catégorie de R&D provenait de la recherche en chimie et en matériaux.
C’était une découverte intéressante, dit-elle, car “il y avait tellement de variables sur lesquelles les gens travaillaient à travers des types d’efforts très différents”, y compris la conception des cellules de batterie elles-mêmes, leurs systèmes de fabrication, leurs chaînes d’approvisionnement, etc. « L’amélioration des coûts est née d’un ensemble diversifié d’efforts et de nombreuses personnes, et non du travail de seulement quelques personnes. »
Les découvertes sur l’importance de l’investissement dans la R&D étaient particulièrement importantes, dit Ziegler, car une grande partie de cet investissement s’est produite après la commercialisation de la technologie des batteries lithium-ion, une étape à laquelle certains analystes pensaient que la contribution de la recherche deviendrait moins importante. Sur une période d’environ 20 ans commençant cinq ans après l’introduction des batteries au début des années 90, dit-il, « la plupart des réductions de coûts provenaient toujours de la R&D. La contribution de la R&D ne s’est pas arrêtée au début de la commercialisation. En fait, c’était toujours le plus gros contributeur à la réduction des coûts.
L’étude a tiré parti d’une approche analytique que Trancik et son équipe ont initialement développée pour analyser la baisse tout aussi rapide des coûts de panneaux solaires en silicium au cours des dernières décennies. Ils ont également appliqué l’approche pour comprendre les la hausse des coûts de l’énergie nucléaire. « Cela touche vraiment aux mécanismes fondamentaux du changement technologique », dit-elle. « Et nous pouvons également développer ces modèles dans l’avenir, ce qui nous permet de découvrir les leviers que les gens pourraient utiliser pour améliorer la technologie à l’avenir. »
L’un des avantages de la méthodologie que Trancik et ses collègues ont développée, dit-elle, est qu’elle aide à trier l’importance relative de différents facteurs lorsque de nombreuses variables changent en même temps, ce qui se produit généralement lorsqu’une technologie s’améliore. « Il ne s’agit pas simplement d’additionner les effets de ces variables sur les coûts, dit-elle, car bon nombre de ces variables affectent de nombreux éléments de coût différents. Il y a ce genre de réseau complexe de dépendances. Mais la méthodologie de l’équipe permet de « regarder comment ce changement de coût global peut être attribué à ces variables, en cartographiant essentiellement ce réseau de dépendances », dit-elle.
Cela peut aider à fournir des conseils sur les dépenses publiques, les investissements privés et d’autres incitations. « Quelles sont toutes les choses que les différents décideurs pourraient faire ? » elle demande. « Quelles décisions ont-ils l’autorité pour qu’ils puissent améliorer la technologie, ce qui est important dans le cas des technologies à faible émission de carbone, où nous cherchons des solutions au changement climatique et nous avons un temps et des ressources limités ? La nouvelle approche nous permet potentiellement d’être un peu plus intentionnels quant à l’endroit où nous faisons ces investissements de temps et d’argent. »
“Cet article recueille des données disponibles de manière systématique pour déterminer les changements dans les composants de coût des batteries lithium-ion entre 1990-1995 et 2010-2015”, explique Laura Diaz Anadon, professeur de politique sur le changement climatique à l’Université de Cambridge, qui n’était pas liés à cette recherche. “Cette période a été importante dans l’histoire de la technologie, et la compréhension de l’évolution des composants de coût jette les bases de futurs travaux sur les mécanismes et pourrait aider à éclairer les efforts de recherche sur d’autres types de batteries.”
Référence : « Déterminants de la baisse des coûts de la technologie des batteries lithium-ion » par Micah S. Ziegler, Juhyun Song et Jessika E. Trancik, 22 novembre 2021, Sciences de l’énergie et de l’environnement.
DOI : 10.1039 / D1EE01313K
La recherche a été soutenue par la Fondation Alfred P. Sloan, l’Environmental Defense Fund et le MIT Technology and Policy Program.
