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Éclairage n° 1

Le stockage de l’électricité a donné lieu à une activité brevets nettement plus soutenue que dans les autres domaines techniques au cours de la dernière décennie, signe d’une forte dynamique d’innovation, tirée par les progrès relatifs aux batteries lithium-ion (Li-ion), destinées en particulier aux véhicules électriques.

Plus de 7 000 familles de brevets internationales (FBI) liées au stockage de l’électricité ont été publiées en 2018, contre 1 029 en 2000¹. Si une tendance constante à la hausse a été observée depuis l'an 2000, on constate une accélération notable depuis 2005, avec un taux de croissance annuelle de 14 % jusqu'en 2018 (contre 3,5 % seulement en moyenne pour l'ensemble des domaines techniques dans toute l'économie (Figure E1)

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. Ce chiffre s’explique notamment par l’utilisation de batteries dans un éventail toujours plus large d’appareils et d’outils personnels. Les conclusions de ce rapport mettent en particulier en évidence l’essor des technologies énergétiques propres, en particulier la mobilité électrique, au cours des dernières années.

Les inventions électrochimiques (c.-à-d. les batteries) représentent 88 % de l'ensemble de l’activité brevets dans le domaine du stockage de l’électricité, loin devant les solutions électriques (9 %), thermiques (5 %) et mécaniques (3 %). L’ensemble de ces solutions a connu une croissance rapide jusqu’en 2012. Depuis, seules les technologies relatives aux batteries ont poursuivi leur progression, soulignant ainsi la place dominante des batteries dans les innovations récentes en matière de stockage d’électricité.

L’activité brevets a progressé pour la plupart des grandes variantes technologiques, notamment les batteries au plomb, les batteries à flux circulants (Redox Flow) et les batteries au nickel. C’est cependant la technologie Li-ion qui tire l’innovation depuis 2005, son usage s’étant imposé tant dans l’électronique portable que pour les véhicules électriques

(Figure E2). En 2018, le Li-ion représentait 45 % de l’activité brevets liée aux cellules de batteries, contre seulement 7,3 % pour les autres procédés chimiques. Environ 48 % des demandes concernaient des inventions non spécifiques à un procédé chimique particulier.

Ces tendances sont à rapprocher de l’évolution des prix. Le prix des batteries Li-ion a chuté de plus de 90 % depuis 1995 pour l’électronique grand public, de près de 90 % depuis 2010 pour les véhicules électriques, et d’environ deux tiers sur la même période pour les applications stationnaires, y compris la gestion du réseau électrique. Ces baisses sont en partie à mettre au compte de nouveaux procédés chimiques, principalement dans la composition de la cathode, mais aussi d’économies d’échelle dans la fabrication. L’innovation dans les procédés de fabrication a également joué un rôle clé, comme le montrent clairement les statistiques sur les brevets. L’activité brevets dans la fabrication de cellules de batteries et les évolutions techniques connexes a triplé au cours de la dernière décennie (Figure E2). Ces deux domaines ont représenté près de la moitié (47 %) de l’ensemble de l’activité brevets liée aux cellules de batteries en 2018, signe clair de la maturité du secteur et de l’importance stratégique d’une phase d’industrialisation efficace pour la production de masse.

Les cellules de batteries sont généralement assemblées en packs, configurés pour fournir la tension, la capacité ou la puissance souhaitée pour l’utilisateur final. Alors que les solutions de mobilité et les smartphones peuvent partager le même type de cellules, les packs diffèrent généralement d’un usage à un autre. Il est donc intéressant de considérer l’activité brevets concernant les packs de batteries pour se faire une idée des tendances en termes d’applications cibles. L’activité brevets liée aux packs a progressé à un rythme plus soutenu que pour les cellules de batteries au cours des dernières années. Signe d’une arrivée à maturité de la technologie, l’attention s’est portée sur les moyens d’optimiser la mise en application, et non plus sur la science fondamentale, pour répondre à des marchés très exigeants.

Les données montrent que la mobilité électrique a soutenu l’innovation dans le domaine des packs de batteries, en particulier au cours de la dernière décennie

(Figure E3). Du milieu des années 2000 à 2010, ce rôle moteur était tenu par les applications portables, généralement dans l’électronique grand public. En termes absolus, les brevets liés aux véhicules électriques ont dépassé l’électronique grand public en 2011 et continué à croître avec vigueur, alors que ceux relatifs aux packs de batteries pour les appareils électroniques portatifs se sont stabilisés. L’innovation dans les applications stationnaires a progressé plus lentement, n’enregistrant que deux années de forte croissance en 2010 et 2011. Toutefois, ces évolutions témoignent une nouvelle fois de la polyvalence de la technologie Li-ion et mettent en évidence les synergies entre ces différentes applications, les améliorations apportées à l’une pouvant bénéficier aux autres. D’où la baisse des prix observables pour tous les types d’applications. Les efforts visant à améliorer la technologie Li-ion pour les applications portables ont ainsi eu des retombées positives sur le marché des véhicules électriques, grâce à l’obtention de performances et de prix acceptables par les premiers acheteurs de voitures électriques. Citons par exemple le lancement en 2008 de la Tesla Roadster, première voiture entièrement électrique produite en série et autorisée à circuler sur autoroute, qui s’appuie sur une technologie Li-ion. Au cours des dix dernières années, les améliorations apportées aux packs destinés à la vaste gamme de voitures entièrement électriques et de voitures hybrides rechargeables ont eu par ailleurs des retombées positives sur les applications stationnaires, nombre d'entre elles pouvant réutiliser des batteries de véhicules modifiées une fois qu'elles ont atteint la fin de leur durée de vie utile pour les véhicules en question.

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