Les différents types et chimies de batteries pour voitures électriques

Dernière modification : 09/09/2026 -  4

Quels sont les différents types de batteries qui existent dans les voitures électriques et quels sont leurs avantages et inconvénients ? Avec la démocratisation de la propulsion électrique, la recherche est devenue particulièrement intense et les technologies commencent même à se multiplier au point qu'on peut facilement tout mélanger. Car entre LFP, NMC, NCA, silicium, lithium métal, semi-solide ou tout-solide, on ne parle pas toujours de la même chose. Certaines appellations concernent la cathode, d'autres l'anode et d'autres encore l'électrolyte... Voyons donc tout cela avec un peu d'ordre.

Sachez en premier lieu que les principales batteries automobiles actuelles restent basées sur le principe lithium-ion, avec notamment les LFP, NMC, NCA ou NCMA. Les formules changent surtout du côté de la cathode et de plus en plus du côté de l'anode, mais le principe général reste celui d'ions lithium qui circulent entre les deux électrodes. A côté de cela arrivent toutefois les batteries sodium-ion, lithium métal, semi-solides ou tout-solide, ce qui rend le titre traditionnel de 'chimies lithium-ion' un peu trop restrictif.

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Synthèse des avantages et inconvénients des différents types de batteries

Le tableau suivant donne une notation volontairement simplifiée. Il ne faut surtout pas y voir des constantes physiques, car une excellente NMC peut être plus durable qu'une mauvaise LFP et deux cellules employant la même chimie peuvent avoir des performances très différentes. Les notes servent simplement à situer les grandes tendances en 2026.

Vous remarquerez que j'ai retiré le 10/10 généralisé que l'on pouvait autrefois attribuer au solide. C'était finalement lui faire beaucoup d'honneur avant même de l'avoir vu travailler... Certaines batteries solides excellent en température, d'autres sont plus difficiles à utiliser à froid, leur longévité varie beaucoup et leur coût reste encore un gros point noir. Le potentiel est très élevé, mais cela ne rend pas toutes les batteries solides parfaites par définition.

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• Détails sur la densité énergétique des différentes chimies
• Avantages des batteries solides
  
• Fonctionnement détaillé des batteries lithium-ion

Formats de cellules et impact indirect sur la densité

La chimie ne fait pas tout. Le format de cellule conditionne la densité volumique réelle du pack, la gestion thermique et la tenue mécanique. Il faut donc éviter là encore de considérer qu'un format serait systématiquement supérieur aux autres, car le constructeur choisit surtout le compromis qui convient à son pack.

• Cylindrique (18650, 2170, 4680 etc.) - structure robuste et fabrication très homogène. Les cellules haute énergie modernes peuvent atteindre autour de 270 à plus de 300 Wh/kg selon la chimie, mais l'espace laissé entre les cylindres réduit la densité volumique une fois intégrées au pack.
• Poche (pouch) - enveloppe souple et très peu de masse inactive. C'est excellent pour le Wh/kg mais la cellule doit être maintenue mécaniquement et son gonflement doit être maîtrisé.
• Prismatique - boîtier rigide rectangulaire qui exploite très bien l'espace disponible. Les architectures modernes de type cell-to-pack ont fortement renforcé son intérêt malgré un boîtier un peu plus lourd.

Au final, une même chimie peut donner des résultats assez différents selon son format et surtout la manière dont le constructeur l'intègre. Le meilleur Wh/kg au niveau cellule n'est donc pas obligatoirement le meilleur Wh/kg une fois la batterie complète installée sous la voiture.

Différence lithium-ion, Li-ion, Li+ et lithium métal

Entre Lithium, Lithium-ion, Li-ion et Li+ il y a de quoi perdre ses repères... Lithium-ion et Li-ion désignent bien la même famille de batteries. En revanche, Li+ n'est pas une autre appellation de la batterie, c'est simplement l'ion lithium lui-même, à savoir l'atome de lithium ayant perdu un électron.

Dans une batterie lithium-ion traditionnelle, les ions lithium circulent entre une cathode qui les stocke et une anode généralement constituée de graphite. Le lithium vient s'insérer dans la structure des matériaux sans constituer une feuille de lithium métallique. C'est justement ce dernier point qui distingue les batteries dites lithium métal.

C'est le type de batterie qui représente encore la très grande majorité du marché

Une batterie lithium métal utilise une anode constituée en tout ou partie de lithium métallique au lieu du graphite. Cela permet d'augmenter fortement la quantité de lithium stockée pour une masse donnée et explique pourquoi cette architecture revient continuellement dans les batteries de nouvelle génération. Le revers concerne notamment la formation de dendrites, les variations de volume et la difficulté à conserver ce lithium dans un état parfaitement homogène pendant des centaines de cycles.

Batteries sans anode (anode-free)

La batterie dite sans anode va encore un cran plus loin. Lors de sa fabrication, on ne place ni graphite ni couche de lithium métallique du côté négatif, mais essentiellement un collecteur de courant. Pendant la première recharge, le lithium quitte la cathode et vient se déposer sur ce collecteur pour former l'anode métallique in situ. La batterie n'est donc pas réellement sans anode lorsqu'elle fonctionne, elle est simplement fabriquée sans anode préformée.

L'intérêt est évident puisque l'on retire une masse et un volume importants qui ne servent qu'à accueillir le lithium. Mais la contrepartie est assez impitoyable. Le rendement du cycle doit être excellent car chaque petite quantité de lithium perdue devient définitivement indisponible. Pendant longtemps cette architecture plafonnait effectivement après quelques centaines de cycles, mais ce n'est plus une limite que l'on peut appliquer à toute la technologie.

• Densité actuelle sur des cellules avancées - environ 300 Wh/kg sur certaines cellules de plusieurs Ah, avec un potentiel nettement supérieur.
• Potentiel - environ 400 à plus de 500 Wh/kg selon la cathode et l'architecture.
• Longévité - les meilleurs prototypes ont largement dépassé les anciennes limites de 150 ou 200 cycles. QuantumScape a par exemple dépassé 1000 cycles complets équivalents avec plus de 95 % d'énergie conservée sur son prototype multicouche A0.
• Risques techniques - homogénéité du dépôt de lithium, rendement coulombique, dendrites et gestion de l'interface avec l'électrolyte.

QuantumScape constitue justement un bon exemple puisque sa cellule QSE-5 combine une architecture sans anode avec un séparateur solide et atteint environ 301 Wh/kg et 844 Wh/l. Cela permet surtout de comprendre que les catégories de cet article ne sont pas exclusives. Une même batterie peut être NMC du côté cathode, lithium métal du côté anode et tout-solide au niveau de son électrolyte.

Batterie Silicium ?

Il ne faut donc plus présenter le silicium comme une petite curiosité utilisée uniquement par Panasonic. De nombreux fabricants introduisent déjà une proportion de silicium dans leurs anodes et des entreprises comme Group14 travaillent sur des anodes silicium-carbone beaucoup plus riches. Des cellules utilisant une anode dominante en silicium atteignent désormais jusqu'à environ 400 Wh/kg dans des démonstrations avancées. Le silicium pourrait donc finalement faire progresser fortement les batteries lithium-ion classiques avant même que le tout-solide se généralise.

Batterie au Dioxyde de Cobalt de Lithium LiCoO2 (LCO/LICO)

La cathode utilise du lithium-cobalt-oxyde et l'anode est généralement constituée de graphite. Le LCO conserve une densité énergétique respectable mais il est coûteux en cobalt, sa stabilité thermique est moins bonne que celle du LFP et sa longévité n'est pas exceptionnelle. Ces caractéristiques expliquent qu'on le retrouve davantage dans les petits appareils électroniques que dans les grosses batteries automobiles.

Les schémas ci-dessus et ci-dessous simplifient volontairement les compositions. En pratique la cathode ne devient pas simplement du CoO2 pur lorsqu'on recharge la batterie, elle passe par différents niveaux de lithiation que l'on peut représenter par Li_1-xCoO2, tandis que le lithium vient s'intercaler dans le graphite de l'anode.

Le cycle de vie se situe grosso modo autour de 500 à 1000 cycles selon les cellules et leur utilisation.
La tension nominale est généralement autour de 3,6 à 3,7 Volts.
La densité énergétique se situe typiquement entre 180 et 250 Wh/kg.

Batterie Lithium Fer Phosphate LiFePO4 (LFP + LMFP + LFPx)

La LFP est devenue une des principales chimies de traction automobile, au point qu'il n'est plus vraiment pertinent de la présenter comme une batterie secondaire réservée aux versions les moins performantes. Tesla, BYD et une grande partie de l'industrie chinoise l'utilisent massivement, et sa densité continue de progresser alors que son principal avantage reste l'absence de nickel et de cobalt.

Son principal inconvénient reste une densité énergétique inférieure aux meilleures NMC ou NCA. Mais l'écart a diminué puisque les cellules modernes atteignent désormais autour de 180 à 200 Wh/kg, contre environ 160 Wh/kg sur beaucoup de générations plus anciennes. Sa tension plus basse et sa courbe tension/SOC très plate rendent aussi plus difficile l'estimation précise de l'état de charge par le BMS.

La fameuse recommandation consistant à la charger régulièrement à 100 % est d'ailleurs souvent mal comprise. Ce n'est pas parce que la LFP aimerait miraculeusement rester pleine, car une cellule lithium vieillit toujours davantage à haut niveau de charge et à haute température. L'intérêt d'une charge complète est surtout de permettre au BMS de recalibrer plus facilement son estimation de charge et d'effectuer l'équilibrage en haut de plage, ce qui est particulièrement utile avec la courbe de tension très plate de cette chimie.

Côté avantages, la LFP est très stable thermiquement, peu coûteuse et particulièrement durable. Une cellule bien gérée peut dépasser 3000 cycles et certaines applications stationnaires ou à faible profondeur de décharge vont nettement plus loin. Fixer une durée universelle à 2000 ou 2200 cycles n'a donc plus vraiment de sens.

La représentation chimique varie avec le niveau de charge, avec des ions lithium qui quittent progressivement le LiFePO4 de la cathode pour venir s'intercaler dans le graphite.

Le cycle de vie est généralement de 2000 à plus de 5000 cycles selon le type de cellule et son utilisation.
La tension nominale est d'environ 3,2 Volts.
La densité énergétique moderne se situe autour de 160 à 200 Wh/kg.

Variante LFPx

L'appellation LFPx n'est pas une chimie normalisée unique et peut être employée par certains industriels pour désigner des variantes ou optimisations du LFP. Il faut donc se méfier d'une valeur universelle qui serait associée à ce nom. Grosso modo, on reste dans les caractéristiques du LFP tout en cherchant à améliorer la densité, la puissance ou le fonctionnement à basse température selon la recette employée.

Variante LMFP

Le LMFP ajoute du manganèse au phosphate de fer afin d'augmenter la tension de la cathode et donc la quantité d'énergie stockée. C'est probablement l'une des évolutions les plus intéressantes du LFP, car elle permet de gagner en densité sans revenir au nickel et au cobalt. Les cellules les plus avancées annoncées aujourd'hui se situent autour de 200 à 240 Wh/kg, avec une tension moyenne supérieure à celle du LFP classique. Le nombre de cycles dépend encore beaucoup de la formulation et il vaut mieux éviter de lui attribuer une limite arbitraire de 1700 ou 1800 cycles.

Batteries sodium-ion (Na-ion)

Le sodium-ion n'est plus une simple technologie future. CATL a maintenant porté sa Naxtra automobile à 175 Wh/kg et la production de véhicules particuliers équipés de cette chimie commence à devenir une réalité. On se rapproche donc des densités du LFP, avec un avantage particulièrement impressionnant lorsque la température descend très bas.

• Densité énergétique massique - environ 140 à 175 Wh/kg sur les cellules modernes.
• Atouts - matières premières abondantes, excellente tenue au froid et sécurité élevée.
• Durée de vie - très variable selon les formulations. CATL revendique plus de 10 000 cycles sur Naxtra, valeur qu'il ne faut toutefois pas appliquer à toutes les batteries sodium-ion.
• Limites - densité encore inférieure aux meilleures batteries lithium-ion haute énergie.

Le sodium ne vient donc pas remplacer tout le lithium, mais il peut parfaitement grignoter une grosse partie des applications pour lesquelles 600 km d'autonomie ne servent à rien. Une petite citadine ou un stockage stationnaire se moquent davantage de quelques dizaines de kilos supplémentaires, surtout si la batterie coûte moins cher et fonctionne mieux à -30 degrés.

Batterie Lithium Nickel Cobalt Manganèse LiNiMnCoO2 (NMC)

La NMC emploie une cathode associant nickel, manganèse et cobalt, avec différentes proportions selon la version. Une NMC111 n'a donc pas les mêmes caractéristiques qu'une NMC811 très riche en nickel. Plus on augmente le nickel, plus on peut gagner en capacité, mais on augmente aussi les contraintes thermiques et la difficulté à conserver une bonne longévité. Tout est encore une histoire de compromis...

Comme avec la LCO, la composition exacte de la cathode évolue progressivement selon son niveau de lithiation et les schémas ne doivent donc pas être interprétés comme deux molécules fixes entre lesquelles la cellule basculerait brutalement.

Le cycle de vie peut aller d'environ 1000 à plus de 2000 cycles selon la formulation, la profondeur de décharge et la température.
La tension nominale est généralement autour de 3,6 à 3,7 Volts.
La densité énergétique moderne se situe grosso modo entre 220 et 300 Wh/kg, avec environ 260 à 280 Wh/kg comme zone courante pour les cellules automobiles haute énergie récentes.

Batterie Lithium Nickel Cobalt Manganèse Aluminium (NCMA)

Evolution de la famille NMC, la NCMA ajoute de l'aluminium à une cathode riche en nickel afin d'améliorer sa stabilité structurelle. Elle cherche notamment à conserver une forte densité tout en réduisant la quantité de cobalt et en maintenant une durée de vie correcte. Mais il faut éviter d'en faire automatiquement une NMC 'supérieure', car les plages de performances des deux familles se chevauchent fortement.

La densité se situe aujourd'hui autour de 260 à 300 Wh/kg selon les cellules. La tension nominale reste autour de 3,6 à 3,7 V et la durée de vie dépend principalement de la proportion de nickel, de la gestion thermique et de la profondeur des cycles. Le vieux chiffre unique de 2000 cycles donne donc une précision assez artificielle.

Batterie Lithium oxyde d'Aluminium Nickel Cobalt LiNiCoAlO2 (NCA)

La NCA fait elle aussi partie des chimies riches en nickel et cherche avant tout une grande densité énergétique. Elle a notamment été largement utilisée par Tesla avec les cellules Panasonic sur les Model S et Model X historiques. Son coût, sa forte proportion de nickel et sa stabilité thermique moins favorable que celle du LFP imposent une gestion électronique et thermique rigoureuse.

Le principe reste celui d'une cathode progressivement délithiée pendant la charge tandis que les ions viennent s'insérer dans l'anode.

Le nombre de cycles n'est absolument plus limité à 500 par principe. Selon la cellule et son utilisation, on peut aller autour de 1000 à 2000 cycles ou davantage avec une gestion thermique correcte.
La tension nominale est autour de 3,6 à 3,7 Volts.
La densité énergétique se situe autour de 240 à 300 Wh/kg.

Batterie Lithium Manganèse LiMn2O4 (LMO)

Cette chimie est plus couramment appelée LMO que MVO. Sa structure spinelle au manganèse favorise le passage des ions et permet d'obtenir une bonne puissance, ce qui a rendu cette technologie intéressante pour des applications demandant de fortes charges et décharges. Son principal défaut se situe plutôt du côté de la durée de vie et de la densité énergétique, ce qui explique qu'elle ait largement perdu du terrain dans les voitures électriques modernes.

Elle peut aussi être mélangée ou associée à d'autres chimies afin de profiter de ses qualités de puissance sans subir tous ses défauts.

Le cycle de vie tourne typiquement autour de 500 à 1500 cycles selon les cellules.
La tension nominale est autour de 3,7 à 4 Volts.
La densité énergétique se situe autour de 100 à 150 Wh/kg.

Avant la technologie lithium - Batterie au Plomb

C'est une technologie devenue totalement inadaptée pour la traction d'une voiture moderne en raison de sa densité énergétique très faible. Elle reste en revanche largement employée comme batterie de servitude 12 V, même si le lithium commence aussi à la remplacer dans ce domaine.

En haut une batterie de servitude au plomb et en bas des packs de batterie lithium-ion

Lors de la décharge, le plomb et le dioxyde de plomb sont progressivement convertis en sulfate de plomb tandis que l'acide sulfurique de l'électrolyte est consommé. La recharge inverse ces réactions. Ce fonctionnement explique aussi pourquoi la densité de l'électrolyte permet historiquement d'estimer l'état de charge d'une batterie au plomb.

Le compartiment moteur


Il ne reste qu'une seule batterie pour la démonstration publique. (Excusez la qualité de la photo mais j'ai eu quelques difficultés à dompter les reflets)

Plus d'informations sur le fonctionnement de la batterie (généralement 12V) au plomb ici.

La densité énergétique reste autour de 30 à 50 Wh/kg, avec environ 40 Wh/kg comme bon ordre de grandeur.

Batterie Titanate de Lithium Li4Ti5O12 (LTO)

Ici, LTO désigne surtout l'anode en titanate de lithium qui vient remplacer le graphite. Cela change fortement le comportement de la cellule et limite notamment la formation de lithium métallique pendant les charges rapides, ce qui explique son excellente sécurité, sa puissance et sa longévité. Le prix à payer est une tension de cellule plus faible et donc une densité énergétique franchement médiocre.

On peut associer cette anode à différentes cathodes, ce qui rappelle encore une fois pourquoi il est difficile de ranger toutes les batteries dans de petites cases indépendantes. Toshiba propose par exemple aujourd'hui des cellules SCiB haute énergie atteignant environ 106 Wh/kg, alors que certaines LTO très orientées puissance restent nettement plus basses. Leur intérêt se situe surtout dans la possibilité d'encaisser d'énormes puissances et plusieurs dizaines de milliers de cycles selon les versions.

Batterie polymère LMP Lithium Métal Polymère

Cette partie mérite une correction importante car le LMP n'est justement pas un électrolyte en gel que l'on aurait abusivement appelé solide. La technologie LMP de Blue Solutions utilise une anode en lithium métallique, un électrolyte polymère solide à base de polyoxyéthylène et de sels de lithium ainsi qu'une cathode historiquement à base de LFP. Il n'y a donc ni liquide ni gel dans la cellule.

Encore plus intéressant, Blue Solutions commercialise cette technologie depuis 2011. Autolib utilisait donc bel et bien une batterie lithium-métal tout-solide, bien avant la vague actuelle d'annonces autour des batteries solides. Le gros défaut de cette technologie est que son électrolyte polymère historique doit rester autour de 70 à 80 degrés pour offrir une conductivité ionique suffisante. C'est pour cette raison que les Autolib devaient rester branchées lorsqu'elles stationnaient longtemps, non pas parce que la batterie était semi-solide mais justement à cause de son polymère solide.

Blue Solutions travaille maintenant sur une nouvelle génération destinée à fonctionner à température ambiante et annonce plus de 450 Wh/kg avec une cathode NMC sur sa future Gen4. Nous sommes donc devant un excellent exemple montrant qu'une vieille technologie peut finalement revenir dans la course une fois ses principaux défauts corrigés.

Batteries semi-solides et solides en 2026

Il faut maintenant ajouter une distinction qui était beaucoup moins importante lorsque cet article a été écrit. Les batteries semi-solides conservent une petite quantité d'électrolyte liquide ou gélifié, tandis que les batteries tout-solide cherchent à remplacer cet électrolyte par un sulfure, un oxyde, une céramique ou un polymère solide. Ce changement peut favoriser la sécurité et surtout permettre des anodes beaucoup plus énergétiques, mais le solide ne produit pas lui-même de l'énergie. Une excellente semi-solide au lithium métal peut donc parfaitement être plus dense qu'une batterie tout-solide plus conservatrice.

L'histoire industrielle est d'ailleurs plus ancienne qu'on pourrait le croire. Blue Solutions commercialise sa LMP solide depuis 2011, Maxell produit depuis 2023 de petites cellules tout-solide au sulfure pour des applications industrielles, et ProLogium a franchi en septembre 2026 une nouvelle étape avec une grosse cellule de 185,4 Ah atteignant 381 Wh/kg et 903 Wh/l. Ce dernier chiffre est particulièrement important car on parle cette fois d'un format suffisamment gros pour avoir un vrai sens automobile.

Il ne faut malgré tout pas en conclure que les voitures tout-solide sont maintenant partout. Les cellules automobiles commencent à devenir crédibles industriellement, mais la production à plusieurs dizaines de GWh reste encore devant nous. Samsung SDI vise par exemple toujours une production en série de sa technologie tout-solide en 2027, tandis que Factorial fait désormais rouler ses cellules de 375 Wh/kg dans des véhicules de développement Stellantis.

Graphène ?

Le graphène fait partie de ces mots qui ont beaucoup servi à annoncer des batteries miraculeuses... Il peut effectivement être utilisé comme additif conducteur ou dans des matériaux d'électrode afin d'améliorer certaines caractéristiques, mais il n'existe pas aujourd'hui une grande famille automobile comparable aux LFP ou NMC que l'on pourrait simplement appeler 'batterie au graphène'. Il faut donc éviter de ranger Tesla dans cette catégorie. Les cellules 4680 produites actuellement par Tesla emploient des cathodes haute teneur en nickel, tandis que ses modèles d'entrée de gamme utilisent aussi du LFP. Le graphène n'est pas la chimie secrète cachée derrière les Tesla...

Supercondensateur et graphène ?

Un supercondensateur n'est pas vraiment une batterie et fonctionne avec un principe de stockage différent. Son avantage est de pouvoir accepter et restituer une énorme puissance presque instantanément tout en supportant un nombre de cycles gigantesque. Son gros défaut est exactement l'inverse de celui d'une batterie, car il stocke très peu d'énergie pour son poids. C'est donc parfait pour donner un gros coup de puissance pendant quelques secondes mais beaucoup moins pour parcourir 500 km.

Une correction s'impose également concernant Lamborghini. Ce n'est pas l'Aventador SVJ hybride qui utilise cette technologie, mais la Lamborghini Sián FKP 37. Son système 48 V associe un moteur électrique de 34 ch à un supercondensateur, Lamborghini mettant surtout en avant une densité de puissance environ trois fois supérieure à celle d'une batterie conventionnelle de même poids. Les recherches menées avec le MIT sur des matériaux de type MOF concernent des générations futures et il ne faut pas les confondre automatiquement avec la composition du supercondensateur de série de la Sián.

Silicium ?

Le silicium mérite davantage qu'une petite note aujourd'hui car il est probablement l'une des voies les plus importantes pour faire progresser les batteries lithium-ion conventionnelles. Sa capacité théorique de stockage du lithium est largement supérieure à celle du graphite, mais son volume peut augmenter de manière spectaculaire pendant la charge. Cette dilatation fissure les particules, déstabilise la couche SEI et consomme progressivement du lithium, ce qui explique pourquoi on s'est longtemps contenté d'en ajouter une petite proportion.

Les nouvelles structures silicium-carbone cherchent justement à enfermer le silicium dans une matrice capable d'absorber ces variations de volume. Cela commence à permettre des anodes contenant beaucoup plus de silicium et des cellules approchant 400 Wh/kg. Le plus amusant est donc que la batterie lithium-ion 'classique' n'a peut-être pas dit son dernier mot au moment même où tout le monde annonce son remplacement...

Batteries du futur ?

Cette partie a beaucoup changé, car plusieurs technologies autrefois rangées dans le futur sont maintenant bien réelles. Le sodium-ion entre dans la production automobile, les petites batteries tout-solide sont commercialisées depuis des années et les grosses cellules solides commencent à passer le cap industriel. Les frontières bougent donc assez rapidement.

Les technologies vraiment plus lointaines se situent désormais davantage du côté du lithium-soufre, du lithium-air, de certaines chimies métal-air ou de cathodes capables d'exploiter de nouvelles réactions redox. Elles affichent parfois des densités théoriques extraordinaires mais retrouvent exactement le même problème que toutes les batteries révolutionnaires avant elles. Faire fonctionner une cellule une fois est relativement facile, la faire fonctionner mille fois, la fabriquer par millions et la vendre moins cher qu'une LFP chinoise est une toute autre affaire...

Pour ma part, c'est d'ailleurs ce qu'il faut surtout retenir de toutes ces chimies. Il n'existe pas une batterie meilleure dans tous les domaines. La LFP domine sur le prix, la durée de vie et la sécurité, les NMC/NCA conservent un avantage de densité, la LTO est imbattable en puissance et longévité, le sodium-ion devient redoutable au froid tandis que le solide cherche à repousser les limites de densité et de sécurité. Celui qui cherche une seule technologie destinée à tuer toutes les autres risque donc d'attendre longtemps...

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