Les systèmes de stockage électrochimique de l’énergie posent de nombreuses interrogations sécuritaires, notamment  pour celles relatives aux stockages électriques de l’énergie des batteries lithium-ion. Cette technologie est actuellement la plus majoritairement utilisée dans les véhicules électriques.

Une batterie au lithium dispose d’une capacité énergétique élevée associée à une technologie de charge rapide. Leur utilisation nécessite de la part des fabricants de mettre au point des produits performants et sûrs, d’anticiper les défaillances, d’améliorer les dispositifs de sécurité existants pour détecter de manière anticipée les risques de surcharge.

Caractéristiques d’une batterie Lithium-ion

Parmi ses propriétés les plus significatives, on note que le lithium à l’état pur est principalement utilisé dans des alliages en raison d’une conductivité thermique élevé (fabrication de batteries)  et d’une capacité calorifique forte.

La  batterie lithium-ion est composée de cellules. Chaque cellule permet de stocker une quantité définie d’énergie. Les cellules lithium-ion sont assemblées en batteries pour élever le niveau de tension. On distingue les cellules lithium-ion primaires dites non rechargeables  et les secondaires appelé rechargeables ou accumulateurs lithium-ion. Les accumulateurs Lithium-Ion, dans lesquels un électrolyte liquide est utilisé, constituent la forme la plus connue de dispositifs de stockage d’énergie au lithium. La batterie lithium-ion peut stocker 3 à 4 fois plus d’énergie par unité de masse que les autres technologies de batteries.

Fonctionnement d’une batterie lithium-ion

Le fonctionnement est basé sur l’échange réversible de l’ion lithium entre une électrode positive et une électrode négative. Une membrane, appelée le séparateur, est positionnée entre les deux électrodes.  Celle-ci empêche le contact direct entre l’anode et la cathode pour éviter tout court-circuit. Elle reste cependant perméable aux ions lithiums (phénomène appelé microporosité). Entre les deux électrodes  se trouve un électrolyte liquide conducteur d’ions, composé d’un sel conducteur. Il garantit le transport des ions lithium entre les électrodes pendant le processus de charge ou de décharge de la batterie.

Lorsque la batterie se charge. les ions Lithium portant une charge positive passent de la cathode jusqu’à l’anode, où ils sont stockés. A ce stade, la batterie est chargée. Lors de la  décharge, de l’énergie est prélevée au niveau de la cellule, le processus s’inverse et les ions Lithium passent de l’anode jusqu’à la cathode.

Le rôle majeur de l’électrolyte sur le risque thermique et chimique de la batterie lithium-ion

Les batteries électrochimiques ont pour fonction de  convertir l’énergie d’une réaction chimique en énergie électrique.

La plage idéale de recharge pour une batterie lithium-ion se situe entre 0 et 45°, avec un seuil optimal à 20 °. Au- delà de cette température, la pression interne augmente, la chaleur générée dépasse le point de fusion du séparateur et déclenche une réaction d’emballement thermique. L’énergie stockée par la batterie se libère de manière totalement incontrôlée. Une réaction chimique se crée entre l’électrode et l’électrolyte qui se transforme en gaz, on parle alors de surcharge. La toxicité de la combustion est relative à la production de fluorure d’hydrogène provenant pour moitié du sel de l’électrolyte. L’énergie dégagée par la combustion est principalement due au solvant organique de l’électrolyte qui va conduire à un incendie puis à l’explosion de l’enveloppe de la batterie.

Un système électronique de gestion de la batterie (BMS)

La fiabilité du BMS (Battery Management System) repose sur un système électronique de contrôle et de charge des différents éléments de batteries d’accumulateurs. Ce système surveille la température de la batterie et l’ensemble des éléments susceptibles de créer un échauffement de la batterie (surtension surcharge, défaut d’isolement…). En cas de détection d’un souci de sécurité fonctionnelle, le BMS empêche la batterie de fonctionner grâce notamment à un interrupteur interne.

La technologie Li-ion Tamer détecte les gaz d’échappement dans les batteries au lithium-ion

En cas de dysfonctionnements et de surcharge, les batteries lithium-ion  enclenche un processus chimique qui produit de la vapeur d’électrolyte à partir de la batterie : conditions abusives de fonctionnement de la batterie (abus électrique, thermique ou mécanique), production hors gaz, fumées et enfin incendie.

L’entreprise Ansul a conçu  Li-on Tamer, un système de prévention des risques des batteries lithium-ion qui offre une détection précoce des défaillances des batteries. Ce système de prévention détecte les gaz d’échappement donnant une indication précoce de la panne de la batterie. Il contient  un composant de suppression intégré qui utilise un gaz inerte pour stabiliser la batterie et éviter une accumulation inflammable. Le système peut également arrêter le flux d’énergie pour éviter la décomposition des cellules entre les batteries.

Ce système apparait comme un élément fiable dans la prévention des risques incendies en cas de surcharge liées à l’utilisation de batteries lithium-ion.

Pour conclure…

Des solutions existent pour limiter les dysfonctionnements électriques, mécaniques ou thermiques  lié à l’utilisation des Batteries lithium-ion en condition abusive. Les situations accidentelles restent limitées (explosion, incendie et dispersion toxique). Les fabricants se mobilisent pour réduire les risques potentiels, notamment de surcharge, et améliorer les dispositifs de sécurité existants.