Les dangers des batteries électriques rechargeables Lithium-Ion

Un développement fulgurant qui devrait encore accélérer les prochaines années 

Le développement des batteries lithium-ion, loin de fléchir, devrait encore accélérer. Les ventes de véhicules électriques croissent de 10 % par an, tout comme celles des cigarettes électroniques. Sans compter les smartphones, que l’on renouvelle en moyenne tous les 37 mois !

L’ambition de remplacer les moteurs thermiques par des moteurs électriques conduit à la production d’ensembles de batteries de plus en plus imposants, capables de mouvoir voitures, bus, camions, trains ou navires.

Selon TERA Consultants, le nombre de véhicules électriques en circulation dans le monde devrait avoisiner les 200 millions d’unités en 2030, dont 30 millions en Europe et 5 à 8 millions en France. En parallèle, le développement des infrastructures-support doit accélérer, de même que l’adaptation des réseaux. En France, le seuil de 100 000 bornes de recharge a été dépassé, pour un besoin estimé à 7,5 millions en 2030. La recharge se fera principalement en milieu confiné (garages particuliers, parkings souterrains).

Les énergies renouvelables deviennent progressivement une alternative crédible à la production issue de sources carbonées. Mais leur intermittence pose des problèmes. Pour lisser la production, il est de plus en plus envisagé de créer des unités de stockage électrochimique de l’électricité, à travers des batteries de taille souvent importante, stockées à l’intérieur des bâtiments.

Lithium-ion : un combo gagnant

Les caractéristiques des batteries Li-ion ont conduit à un quasi-monopole planétaire de cette technologie, reconnue comme la plus performante du marché actuel. Elle présente des avantages indéniables : densité d’énergie élevée (plus du double des batteries standards), absence d'effet mémoire, autodécharge relativement faible, durée de vie importante, faible entretien, poids et encombrement raisonnables…

Mais des risques d'emballement thermique et d'explosion

Les batteries Li-ion sont composées en éléments unitaires (les cellules). Plus la puissance requise est élevée, plus il faut de cellules : jusqu’à plusieurs milliers pour propulser un navire ! Les accumulateurs Li-ion, quand ils sont utilisés au-delà de leurs conditions normales, sont sujets au phénomène d’emballement thermique. Ce mécanisme se déclenche lorsque les composants internes atteignent des seuils critiques de températures ou à la suite d’un choc ayant dégradé un composant de la batterie.

L’emballement thermique peut se manifester sous différentes formes :

• simple dégazage
• dispersion de gaz toxiques
• feu ou explosion, avec ou sans projection de matière

L’emballement thermique : un phénomène en quatre phases

Les batteries Li-ion forment une grande famille, qui comporte de nombreuses sous-technologies. Ainsi, les conséquences de l’emballement peuvent sensiblement varier d’une batterie à l’autre. Le schéma d’assemblage des cellules dans des modules a également son importance dans la dangerosité de la batterie.

On distingue quatre phases distinctes dans le processus de l’emballement thermique.

1. La tension augmente graduellement, la vitesse d’auto-échauffement est faible.
2. La batterie entre en mode exothermique, la tension chute brutalement. Une réaction chimique se met en place entre l’anode et l’électrolyte avec décomposition de la cathode. L’énergie ainsi libérée contribue à une légère augmentation de la température.
3. La composition des électrodes a changé, le processus de réaction commence à accélérer. La hausse de température génère du gaz, qui s’accumule dans le module en augmentant la pression interne. À ce moment, l’évent de sécurité de la batterie peut s’ouvrir ou la batterie peut se rompre. Cette première explosion est qualifiée d’explosion physique. La pression chute, les gaz sont éjectés et se mélangent avec l'air.
4. Lorsque la concentration atteint les limites d'explosivité, les gaz inflammables explosent par la présence de flammes ou d’étincelles. Cette deuxième explosion est qualifiée cette fois d'explosion chimique. Il y a transition du régime de déflagration en détonation dans des conditions de surcharge.

 Les pistes d’amélioration

Face à ces risques, les constructeurs ont imaginé des parades :

• un système électronique de gestion évite que la batterie soit exposée à ces conditions critiques
• le schéma d’assemblage empêche la propagation de l’emballement thermique d’une cellule au reste de la batterie.

De nombreuses pistes restent à explorer pour réduire les risques d'emballement thermique des batteries Li-ion et limiter leur impact environnemental.

On peut en citer au moins quatre :

1. Le développement de nouveaux matériaux. Plus légers et moins coûteux, ils permettent la non-propagation de l'emballement thermique.
2. L’assemblage non définitif des accumulateurs au sein d'un pack batterie. 
   
3. La charge rapide des batteries.
   D'une part, c’est un bon argument de vente. D'autre part, la réduction du temps de charge permet de limiter la capacité embarquée de la batterie, et donc sa masse, son coût et son impact environnemental global.
4. L’estimation systématique et à moindre coût de l'état de santé des batteries, cellule par cellule.
   La mobilité électrique exige des accumulateurs de très forte densité énergétique. On considère classiquement qu'une batterie ayant perdu plus de 20 % de sa capacité initiale arrive en fin de première vie. Par ailleurs, un raisonnement très simple montre que la capacité totale d'une batterie est limitée par celle de son accumulateur connecté le plus faible. De nombreuses batteries arrivent ainsi en fin de première vie alors qu'une part importante de leurs accumulateurs sont encore très performants.
   De même, il est extrêmement important d'identifier le ou les quelques éléments ayant été les plus « stressés » pendant la première vie de la batterie pour éviter qu'ils ne soient à l'origine d'évènement dramatique lors de leur réutilisation en seconde vie.

Des accidents de plus en plus nombreux et de plus en plus graves

Malgré des avancées notables, les accumulateurs Li-ion ont été à l’origine d’incidents plus ou moins dramatiques : feux de smartphones, de cigarettes électroniques, de bus de trottinettes ou de vélos, de voitures électriques... En janvier 2023, l’incendie d’une usine de fabrication de batteries Li-ion du groupe Bolloré a marqué l’actualité. Au plan international, il est d’ores et déjà possible de caractériser une croissance de l’accidentologie en lien avec l’augmentation des usages de batteries. Aux Etats-Unis, la ville de New York a notamment recensé 216 incendies de batteries en 2022 contre 28 en 2019. Au Canada, à Vancouver, les incendies liés aux batteries ont été multipliés par cinq depuis 2016.

Des risques pour les personnes

Pour les particuliers, les risques liés aux batteries ne sont généralement pas identifiés et donc, aucune précaution particulière n’est prise.

Pour autant, la défaillance d’une batterie suivie de sa potentielle mise à feu peut avoir des conséquences dramatiques.

Les dangers des électrolytes liquides pour la sécurité des usagers sont désormais bien documentés. L’électrolyte est souvent composé d’un solvant inflammable et d’un sel conducteur. L’hexa-fluoro-phosphate de lithium (LiPF6), toxique en cas d’ingestion, provoque des lésions graves au contact de la peau et des yeux. Il peut aussi être à l’origine de l’émission de fluorure d’hydrogène (HF), gaz également toxique.

Plusieurs études recensent de très graves brûlures ou inhalations d’acides chez les individus.

Nota bene

En cas d’incendie, les interventions des équipes de secours sont rendues plus complexes et plus dangereuses, du fait de l’absence de signalisation des batteries, du processus d’emballement thermique, du dégagement de substances toxiques et du risque important d’électrocution.

 Appel à projet 2023

Au regard de ce contexte et des évolutions probables, la Fondation MAIF a pour objectif d’accompagner la recherche et le développement pour :

• qualifier et mesurer les risques en termes de conditions de survenance, gravité des sinistres ;
• améliorer la sécurité passive des batteries : électrolytes, assemblage, détection des défauts, alarmes, procédés de mise hors tension, dispositif de refroidissement ou d’extinction, etc.
• améliorer les programmes d’information et de prévention pour une meilleure sensibilisation des personnes à ces risques, associée à des stratégies de protection.

Découvrez les projets issus de l'appel à projet 2023

• Du bon usage des batteries électriques
• Vers des batteries plus sûres
• Risque incendie de batteries Lithium-Ion
• Batteries Lithium-Ion : Prévention et protection
• Batteries électriques plus sûres et facilement recyclables
• Explosion en milieu confiné des batteries électriques