L’emballement thermique des batteries lithium
On lit parfois une nouvelle à propos d’un feu de batterie lithium, ou on entend évoquer l’emballement thermique de l’un de ces accumulateurs sur un véhicule ou sur un appareil, des événements qui bénéficient d’une exposition médiatique exceptionnelle.
Mais de quoi s’agit-il pratiquement ? Comment naissent ces phénomènes ? Quelle est leur fréquence ? Comment les éviter ? Tous les types de batteries et les systèmes les utilisant sont-ils exposés de la même manière ?
Voici quelques éléments de réponses.
Des chimies lithium très différentes
Une batterie, au plomb ou au lithium, est un assemblage de cellules, des piles électrochimiques, dont les branchements en série et en parallèle produisent des batteries de capacité et de tension voulues.
Pour fonctionner, les cellules contiennent un électrolyte, un média de transfert des électrons qui forment le courant électrique qui circulent de la cathode à l’anode dans la cellule.
Le fonctionnement normal d’une cellule peut être perturbé par des causes externes (une surtension, un choc violent ou la perforation) ou internes (défaut de fabrication ou conséquences du vieillissement).
Le mot lithium est insuffisant pour caractériser un type de batterie qui utilise ce métal. Différentes chimies utilisant du lithium sont exploitées et possèdent des caractéristiques très différentes.
Différents types cellules au Lithium, aux caractéristiques bien différentes, entrent dans la composition de batteries :
● LCO : Lithium Cobalt Oxide (famille lithium-ion)
● NCA : Nickel Cobalt Aluminium (famille lithium-ion)
● NMC : Nickel Manganèse Cobalt (famille lithium-ion)
● LiFePO4 ou LFP : Lithium Fer Phosphate (famille lithium-ion)
● LMP : Lithium Métal Polymère (famille lithium-métal), les batteries des Bus et Autolib Bolloré.
Le terme "Lithium ion" ou plus simplement "Lithium", couramment utilisé, regroupe donc plusieurs technologies mais ne suffit pas pour préciser le type d’accumulateur.
La chimie lithium fer phosphate (LiFePO4), la plus stable, contient 25% d’énergie par unité de poids et coûte 20 à 25% plus cher que d'autres chimies moins stables.
L’emballement thermique
Quand anode et cathode entrent en contact, c’est le court-circuit. Des courants de forte intensité naissent de l’absence de résistance et produisent un échauffement important.
Sur une batterie au plomb, l'électrolyte se compose d’acide sulfurique sous forme de solution ou de gel. En cas de court-circuit, il se met à bouillir en dégageant de l’hydrogène, inflammable.
Sur une batterie au lithium du type de celles employées dans le nautisme ou sur les véhicules de loisir, l’électrolyte contient souvent un solvant. En cas de court-circuit, la température dans la cellule s’élève, les solvants chauffent, entrent en ébullition et dégagent, entre autres, de l’oxygène.
Une fois atteint de tels niveaux de température, les électrolytes des batteries lithium produisent des gaz toxiques qui, s’ils s’accumulent dans une enceinte close, comme celle que forme un appareil ou la caisse étanche de la batterie, peuvent détonner et déclencher un incendie. La génération spontanée d’oxygène, qui n’existe pas sur les batteries au plomb, est suffisante pour rendre inopérants les extincteurs au CO2 (qui privent le foyer de comburant -l’oxygène-), ce qui rend ces feux si difficiles à éteindre.
Parmi les chimies lithium, les lithium fer phosphate (LiFePO4) possèdent un gros avantage. Leur température à cœur en situation de court-circuit est généralement inférieure à celle d’ébullition de leur électrolyte*. Cette caractéristique ne les met pas totalement à l’abri** des conséquences d’un emballement, mais leur confère une très importante stabilité.
La protection des batteries lithium, le rôle crucial du BMS
Le second paramètre important pour éviter l’emballement thermique d’une batterie au lithium, tient dans les protections. Ces accumulateurs doivent être surveillés pendant leur cycle de charge et décharge.
Sur les appareils les plus simples comme les cigarettes électroniques ou les téléphones, les défauts sont les plus fréquents et cette surveillance fait tout simplement défaut.
A l’inverse, sur les systèmes plus complexes, comme les bateaux, les véhicules de loisir, ou les installations off-grid, les protections sont multiples. Le chargeur est parfaitement adapté aux caractéristiques de charge de ces batteries (tous nos chargeurs le proposent), des fusibles à fort pouvoir de coupure sont installés pour protéger les batteries de surintensité d’origine externe et surtout, un BMS est installé.
Le BMS est un outil de surveillance électronique des paramètres vitaux de la batterie se comportant comme un actionneur. Suivant les fabricants , ces BMS peuvent être intégrés aux batteries ou montés de manière externe. Ces derniers appareils offrent les possibilités les plus étendues.
Les fonctionnalités élémentaires des BMS sont de surveiller la température de la batterie, l’intensité et le voltage des courants entrants et sortants. En cas de mesure de valeurs hors limite, le BMS déconnecte sans prévenir la batterie du système.
Les BMS les plus évolués sont capables de surveiller chaque cellule individuellement mais aussi de déconnecter une cellule ou un consommateur (déconnecter le réfrigérateur mais pas l’électronique) ou de délivrer une alarme sonore avant d’agir lors du relèvement d’un paramètre hors-plage.
Le prévention des emballements thermiques
Le choix d’une chimie stable et celui d’un BMS intelligent doté de capacités de détection et d’action évoluées sont les véritables prérequis des installations des services de confort sur les véhicules de loisir et des navires.
Parmi les fonctionnalités indispensables du BMS : la surveillance de la température de la batterie et de ses cellules. Couplée à la faculté de déconnexion d’une cellule en défaut, c’est le ba-à-ba d’un système sûr.
La protection des cellules des agressions extérieures (protection IP et solidité de la caisse) ainsi que le soin apporté au positionnement des batteries à bord, hors de portée de l’eau et de matériaux inflammables ajoutent une couche de sécurité.
Conclusion
L’utilisation d’une chimie de batterie stable, mise en œuvre de manière sécurisée au sein d’un système bien dimensionné et protégé ne présente pas plus de risques que d’autres technologies, notamment thermiques. C’est le cas des installations à bord des navires et des véhicules.
Il en va très différemment avec les petits appareils bon marchés, dont des dizaines de milliards d’exemplaires, pour la plupart dénués de protection, nous entourent.
Enfin l'association chargeur et batterie au lithium doit être faite dans les règles de l'art. C'est la raison pour laquelle chez Dolphin Charger nous sommes en permanence à l'écoute des fabricants afin de proposer des solutions adaptées.
* Étude de la Federal Aviation Administration américaine.
** En cas d’apport de température externe, notamment.
