LFP, NMC, LMFP… décryptage des chimies de batterie et de leurs performances

Batteries Lithium-Ion

Dossier : Batteries Lithium-Ion | Magazine N°813 Mars 2026

L’histoire des batteries remonte au XIX^e siècle (le pionnier est d’ailleurs un Français), mais c’est au XX^e et surtout au XXI^e siècle que leur technologie s’emballe, en raison de l’électrification des usages qu’exige la lutte contre le changement climatique. On trouvera ici un panorama éclairé des évolutions techniques et des recherches en cours, avec une appréciation des avantages et inconvénients des diverses solutions et des perspectives vraisemblables. Sur le plan industriel, l’Asie a su bâtir un quasi-monopole de ses fabricants sur le marché mondial ; le défi pour l’Europe est en réaction de constituer une filière suffisamment performante pour récupérer une indépendance qui lui échappe.

Les batteries, systèmes de stockage électrochimique de l’énergie, jouent un rôle clé dans les programmes technologiques et environnementaux actuels. Elles répondent aux besoins des technologies nomades (électronique portable) et sont essentielles pour la transition énergétique, notamment pour le stockage des énergies renouvelables et le développement de la mobilité électrique. Une batterie est constituée de plusieurs cellules unitaires mises en série/parallèle.

Une cellule est constituée d’une électrode positive et d’une électrode négative séparées par un séparateur isolant électronique imprégné d’un électrolyte, composé d’un solvant généralement liquide, et un sel – des ions positifs (Li⁺) et des anions. Cet électrolyte est le conducteur ionique. La charge d’une batterie nécessite de fournir de l’énergie au système, pour transformer les matériaux des électrodes positive et négative. Le chargeur permet d’extraire des électrons de l’électrode positive (cathode) qui sont produits par l’oxydation du matériau actif positif. Ces électrons sont injectés dans l’électrode négative (anode) où le matériau actif négatif les consomme en se réduisant.

Lorsque l’on va connecter les deux électrodes d’une batterie chargée à un équipement (téléphone, voiture, etc), les réactions inverses se produisent de façon spontanée : c’est la décharge. Le matériau actif à l’anode libère des électrons en s’oxydant, ces électrons traversent l’équipement à alimenter et sont consommés à la cathode par la réduction du matériau actif positif.

Repères :
NMC : nickel-manganèse-cobalt
NCA : nickel-cobalt-aluminium
LFP : lithium-fer-phosphate
LMFP : lithium-manganèse-fer-phosphate

Une histoire déjà ancienne

L’histoire des batteries rechargeables commence en 1859 avec l’invention de l’accumulateur au plomb par Gaston Planté, délivrant une tension de 2 V. Bien que sa densité d’énergie soit faible (environ 40 Wh/kg), il reste largement utilisé grâce à son faible coût et sa robustesse. Par la suite, les systèmes alcalins, incluant des électrodes en oxyhydroxyde de nickel (NiOOH), ont permis de doubler la densité d’énergie, atteignant environ 70 Wh/kg, d’abord avec des électrodes de cadmium (Ni-Cd), puis avec des alliages hydrurables (Ni-MH), tout en maintenant une tension de cellule d’environ 1,6 V.

Les batteries Li-ion

En 1973, S. Whittingham ouvre une nouvelle ère en démontrant l’intercalation réversible d’ions Li⁺ dans le disulfure de titane (TiS₂) associé à une anode en lithium métal et un électrolyte non aqueux, permettant de dépasser la limite de 2 V des systèmes aqueux.

L’anode en Li métal combine un potentiel de fonctionnement faible (- 3 V vs la réduction de l’eau) et permet d’échanger une mole d’électrons (1 F = 26,8 Ah) pour seulement 7 g par mole de Li, soit 3 800 mAh/g. Mais le Li métal ne peut être utilisé avec des électrolytes liquides car, lors de la recharge de la batterie, la réduction des ions Li⁺ en Li métal se fait sous forme de fils appelés dendrites qui peuvent traverser le séparateur et former des courts-circuits internes. Yoshino résout ce problème en remplaçant le lithium métal par du graphite, capable d’intercaler les ions Li⁺ sans dépôt métallique. Parallèlement, J. B. Goodenough introduit au début des années 80 l’oxyde lamellaire LiCoO₂, fonctionnant autour de 4 V avec une bonne capacité et stabilité.

Ces avancées ont fondé le concept de la batterie « lithium-ion », reposant sur l’intercalation réversible des ions Li⁺ dans les deux électrodes. Pour des raisons de sécurité et de coût, le cobalt a été progressivement remplacé par le nickel et le manganèse, donnant naissance aux cathodes NMC (LiMO₂, avec M = Ni, Mn, Co), associées au graphite pour former les batteries Li-ion NMC (3,7 V). Goodenough est également le père de la deuxième grande famille de cathode : le phosphate de fer lithié (LiFePO₄), où l’intercalation des ions Li⁺ se fait à 3,4 V par rapport à l’anode de graphite. On parle dans ce cas de batteries LFP.

L’art du compromis

Le tableau 1 résume les caractéristiques principales des batteries Li-ion actuellement sur le marché, produites à plus de 80 % par six fabricants en Asie (figure 1), qui utilisent une électrode de graphite à la négative et un électrolyte liquide. La chimie NMC – ou son dérivé NCA pour Ni, Co, Al – offre la plus grande densité d’énergie, mais sa température doit être contrôlée pour éviter l’emballement thermique en fin de charge (lié à l’oxydation de Ni³⁺ en Ni⁴⁺).

“Les batteries sont produites à plus de 80 % par six fabricants en Asie.”

La chimie LFP est beaucoup plus stable thermiquement, a un coût compétitif, mais possède une densité d’énergie plus faible que la série NMC. Aucune chimie aujourd’hui ne satisfait simultanément l’ensemble des critères (énergie, sécurité, coût, durée de vie) et cela reste un compromis à trouver en fonction de l’application.

Chimie de la batterie : anode / cathode	Abréviation	Densité d’énergie (Wh/kg cellule)	Avantages	Inconvénients
Graphite / Li(Ni_x,Mn_y,Co_1-x-y)O₂ Graphite / Li(Ni_x,Al_y,Co_1-x-y)O₂	NMC NCA	250	Énergie	Sécurité
Graphite / LiFePO₄	LFP	180	Sécurité, coût	Énergie

Évolution	Abréviation		Avantages	Inconvénients
Anode : alliage M+xLi+ + xé MLix	Sn, Si, SiC…		Énergie	Durée de vie
Cathode : Li(Mn_xFe_1-x)PO₄	LMFP		Énergie	Durée de vie, puissance

Tableau 1 : principales chimies des batteries Li-ion commercialisées.

Figure 1 : production (MWh) des batteries pour la mobilité électrique ; en 2023, 6 constructeurs (CATL, BYD, LG Energy, Panasonic, SK Ino et Samsung SDI, toutes en Asie) produisaient 84 % des batteries. Source : https://elements.visualcapitalist.com/ranked-the-top-10-ev-battery-manufacturers-in-2023/

Les perspectives

La R&D sur les batteries à électrolyte liquide se concentre sur plusieurs axes pour améliorer la densité énergétique, la puissance et la durée de vie. Du côté des cathodes NMC, l’augmentation de la teneur en nickel jusqu’à 80 % (LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂, appelé chimie 811) voire 85 % permet de stocker plus d’énergie, mais accroît également les risques d’emballement thermique, nécessitant un contrôle précis de la température de la batterie. Pour les cathodes LFP, la substitution partielle du fer par du manganèse (LiMn_xFe_1-xPO₄, LMFP) permet d’augmenter la tension de fonctionnement et l’énergie spécifique grâce au Mn, mais des efforts de R&D restent nécessaires pour améliorer la durée de vie et la puissance qui diminue avec la teneur en Mn.

Côté électrode négative, l’ajout de silicium au graphite permet de former des alliages LixSi à haute capacité, théoriquement jusqu’à 4 000 mAh/g de Si (4 Li pour 1 Si, soit 4 F pour 26 g), mais la forte expansion volumique (~ + 300 %) limite la proportion de silicium utilisable en combination avec le graphite et oblige à optimiser la formulation des électrodes. Même si les performances des cellules progressent régulièrement, il semble qu’il y ait une limite autour de 350 Wh/kg de cellule pour ces technologies utilisant des électrolytes liquides.

De la cellule aux batteries

Les batteries sont constituées de cellules assemblées en série et parallèle pour atteindre les tensions et capacités requises, et ces packs doivent avoir une compacité maximale pour optimiser la densité d’énergie. Le design cell to pack (CTP), où les cellules sont directement connectées sans module intermédiaire, est le plus utilisé. Les packs batteries intègrent un Battery Management System (BMS) et parfois un système de gestion thermique, qui ajoutent masse et volume, pénalisant les Wh par L ou kg de pack. Bien que les cellules NMC aient une densité d’énergie supérieure d’environ 40 % à celle des LFP (tableau 1), l’écart au niveau du pack est réduit car les NMC nécessitent un contrôle thermique – ajoutant de la masse et du volume – que les LFP n’exigent pas.

La maîtrise technologique que les fabricants de batterie asiatiques ont développée dans la fabrication et l’assemblage des packs explique la percée des LFP dans la mobilité électrique, tandis que les gigafactories européennes ont privilégié la chimie NMC pour leur densité d’énergie. Cependant, même si la situation actuelle reste compliquée pour nos industriels européens, la part marché de la chimie NMC est estimée à 30-40 % environ à l’horizon 2035, car elle bénéficie d’atouts importants avec au premier rang sa densité d’énergie. La mise en place d’une filière de recyclage en Europe permettra également de sécuriser l’accès à des matières critiques (Ni, Mn et Co en plus du Li), renforçant ainsi notre indépendance vis-à-vis de l’Asie. Tout cela démontre l’importance de soutenir nos industriels pour les aider à accélérer la montée en cadence de la production de cellules.

Les batteries Li métal-S

Dans les chimies post lithium-ion, la chimie lithium-soufre (Li-S) exploite le soufre comme cathode, matériau abondant et peu coûteux, qui possède une capacité théorique très élevée de 1 750  mAh/g (deux électrons par S). Associée à une anode en lithium métal, cette combinaison donne une cellule fonctionnant à 2,2 V avec une densité d’énergie pratique de l’ordre de 400 Wh/kg. Malgré son fort potentiel, le développement des batteries Li-S reste limité par la croissance de dendrites à l’anode Li, l’auto-décharge importante due aux polysulfures solubles qui se forment en fonctionnement et la conception/structure du matériau hôte de la cathode, le S étant un isolant électronique. Ces obstacles expliquent pourquoi cette technologie, bien que prometteuse, n’est pas encore largement commercialisée.

Les batteries Li métal tout-solide

Une stratégie pour augmenter les performances est d’utiliser le Li métal comme anode, en remplaçant l’électrolyte liquide par un électrolyte solide conducteur des ions Li⁺ qui va bloquer la propagation des dendrites : c’est la technologie tout-solide (figure 2), qui améliore également la sécurité. Trois type électrolytes solides sont envisagés : les polymères, les oxydes et les sulfures, avec chacun ses avantages et ses inconvénients.

Les polymères sont stables au contact du lithium métal et des cathodes LFP, mais pas avec les cathodes NMC à haut potentiel. Leur conductivité ionique à température ambiante reste faible, nécessitant une température de 70 °C pour fonctionner, comme dans la technologie développée par Blue Solutions. Le défi est de développer des polymères stables aux potentiels NMC avec une conductivité satisfaisante (~ 1 mS/cm) à température ambiante. Si certains oxydes métalliques sont stables aux potentiels de fonctionnement des électrodes positive et négative, ils sont fragiles et peu flexibles aux changements de volume des électrodes. Leur impédance de contact avec le lithium métal est élevée et leur conductivité ionique reste limitée à température ambiante.

Figure 2 : vue schématique d’une batterie tout-solide avec l’anode de Li métal, l’électrolyte solide et le composite cathode/électrolyte solide. D’après : Balaish (M.), Gonzalez-Rosillo (J. C.), Kim (K. J.) et al. “Processing thin but robust electrolytes for solid-state batteries”. Nat Energy 6, 227–239 (2021). https://doi.org/10.1038/s41560-020-00759-5.

Le problème des électrolytes

Le dernier type d’électrolyte solide étudié est à base de sulfures, avec des composés montrant des conductivités comparables à celles des liquides à température ambiante. Cependant, ils ne sont pas stables au contact direct des cathodes NMC, nécessitant la création d’une couche d’interface pour éviter des réactions irréversibles. Leur faible tenue mécanique implique aussi qu’ils doivent être maintenus sous pression en fonctionnement et manipulés en salle sèche à cause de leur forte sensibilité à l’humidité.

Ainsi, aucun électrolyte solide n’est parfait : chacun présente des compromis entre conductivité, stabilité électrochimique et robustesse mécanique. C’est pourquoi des technologies dites hybrides se développent, utilisant pas exemple un séparateur céramique oxyde au contact du Li métal, avec un électrolyte gélifié à la cathode, ou des combinaisons polymères/oxydes.

La technologie tout-solide, étant donné les gains conséquents en termes de densité d’énergie et de sécurité qu’elle peut amener, est aujourd’hui au cœur d’une bataille technologique d’envergure chez les principaux fabricants de batteries (CATL, BYD, LG, SK Innovation…).

Le Na-ion

Le sodium (Na) est un matériau plus abondant que le Li et facilement accessible. Le système Na-ion utilise une électrode négative en carbone dur (hard carbon) qui permet l’intercalation des ions Na avec une capacité de l’ordre de 300 mAh/g. Différentes électrodes positives peuvent être utilisées comme les composés polyanioniques (ex. : Na₃V₂(PO₄)₂F₃), les analogies de bleu de Prusse (BPA) ou les oxydes lamellaires (Na_xMO₂ où M = métaux de transition et x≤1).

Les cellules Na-ion, comme celles développées par la société Tiamat en France, ont une densité d’énergie inférieure au Li-ion de type NMC du fait des caractéristiques intrinsèques de l’élément Na (masse molaire 23 g, potentiel rédox + 0,3 V vs Li). Les cellules Na-ion HC/NVPF ont une densité d’énergie de l’ordre de 130 Wh/kg, mais avec des performances en puissance extrêmement élevées, acceptant des vitesses de charge/décharge d’une dizaine de minutes seulement. Leur fonctionnement à basse température (- 20 °C) est également supérieur à celle des cellules Li-ion.

Les cellules à base d’oxydes de métaux de transition peuvent quant à elles atteindre des densités d’énergie comparables à celle du LFP. Les batteries Na-ion sont adaptées au stockage réseau (stabilisation, lissage pics de puissance…) ou à la mobilité électrique (autonomie limitée vs Li-ion, mais recharge en quelques minutes). Les objectifs dans le futur sont de porter la densité d’énergie au-delà de 200 Wh/kg en maintenant les performances en puissance, température et cyclabilité. Au-delà du Na-ion, le potassium ion (K-ion) est également étudié, même s’il ne présente pas d’avantage majeur par rapport au Na-ion. Les chimies à ions multivalents (Ca²⁺, Mg²⁺) le sont également, mais leurs performances restent encore très loin du Li^– ou du Na-ion.

Le Zn-ion

Le zinc, avec son faible potentiel (- 0,76  V vs H⁺/H₂) et sa haute capacité (825 mAh/g), est une anode prometteuse pour des batteries aqueuses à faible coût et faible impact environnemental. Les systèmes Zn/MnO₂ peuvent dépasser 200 Wh/kg, et plus de 300 Wh/kg pour le Zn-air. Cependant, cette technologie souffre de plusieurs problèmes principalement liés à l’anode : instabilité thermodynamique en milieu aqueux du Zn et formation de dendrites compromettant la cyclabilité. Malgré ces défis, les batteries Zn-ion aqueuses suscitent un fort intérêt pour le stockage stationnaire des énergies renouvelables, où leurs faibles coût et impact environnemental sont des atouts, même si les performances et la durée de vie doivent encore être améliorées pour concurrencer les technologies existantes (plomb, Li-ion, Na-S, batteries rédox flow).

Bâtir une filière européenne solide

Le stockage électrochimique de l’énergie joue donc aujourd’hui un rôle central dans la transition énergétique, en permettant le développement des mobilités électriques et l’intégration des énergies renouvelables. Les technologies actuelles, dominées par la chimie lithium-ion, continuent de progresser grâce à l’optimisation des matériaux et des procédés, tandis que de nouvelles chimies – sodium-ion, lithium-soufre, tout-solide ou zinc-ion – ouvrent des perspectives pour des solutions plus durables, sûres et accessibles. Si un des défis est de bâtir une filière de stockage compétitive et responsable, un autre est d’assurer notre indépendance européenne par rapport aux géants asiatiques, ce qui passe par un soutien à la filière, de la production de cellule au recyclage, sans oublier la sécurisation de l’accès aux matières premières. Ce défi est important mais pas inaccessible.

Références :

Goodenough (J. B.), Whittingham (S.) et Yoshino (A.) ont reçu le prix Nobel de Chimie en 2019 pour la découverte des batteries Li-ion.
Wulandari (T.), Fawcett (D.), Majumder (S. B.), Poiner (G. E. J.), “Lithium-based batteries, history, current status, challenges, and future perspectives” Battery Energy, Vol.2, 6, November 2023, 20230030 ; https://doi.org/10.1002/bte2.20230030.
“22+ Years of Bringing Undiscovered Investment Opportunities to the Forefront”, 2025 Fundamental Research Corp. www.researchfrc.com, and Bloomberg 2024. https://www.tiamat-energy.com/
Zampardi (G.), La Mantia (F.), “Open challenges and good experimental practices in the research field of aqueous Zn-ion batteries”, Nature Communications 13 (2022), 687.