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Batteries : l'épine du véhicule électrique ?

HUGO LEROUX hleroux@industrie-technologies.com

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Dans l'automobile, l'heure est au véhicule tout électrique. Pour alimenter leurs modèles, les grands constructeurs misent sur les progrès récents des batteries lithium-ion. Dans cette course à l'optimisation des performances, ont-ils bien anticipé tous les risques liés à cette technologie ? La question fait débat.

Le véhicule électrique est habitué aux attaques. Mais cette fois, c'est un directeur de recherches au CNRS, spécialiste mondialement reconnu des batteries, qui lance l'alerte. Dans un article du Monde publié le 29 juin, l'électro-chimiste Michel Armand lance un avertissement à la filière du véhicule électrique. « Les batteries lithium-ion reposant sur des électrodes positives au manganèse, adoptées jusque-là par la majorité des constructeurs européens, ne sont pas assez stables. On peut craindre des emballements thermiques pouvant aboutir à des feux de batteries », déplore-t-il. Dans la grande famille des lithium-ion, Michel Armand recommande plutôt la petite soeur, dotée de cathodes au phosphate de fer. Une technologie qu'il a d'ailleurs contribué à développer.

Autre problème : une fois déclarés, les feux de batteries s'annoncent pour le moins récalcitrants. « La solution conductrice reliant les électrodes, l'électrolyte, contient du fluor, qui produit un gaz toxique en brûlant », avertit Michel Armand. Inquiétude partagée par l'Institut national de l'environnement industriel et des risques (Ineris). En juin 2011, l'institut publie un rapport de synthèse sur les risques liés au développement de la filière véhicule électrique. Il pointe des incertitudes sur les « conséquences d'un feu en atmosphère confinée impliquant des batteries ». Enfin, le lithium réagit violemment en présence d'eau. Les feux de lithium nécessiteraient donc des interventions spécifiques (extincteurs à poudre...).

Batteries instables, feux potentiellement toxiques et difficilement contrôlables, interventions risquées... Face à cette liste de menaces plutôt inquiétante, l'Avere, association professionnelle pour la mobilité électrique, s'est immédiatement défendue : « dans le virage électrique mondial, aucun acteur n'a intérêt à faire preuve de légèreté, surtout pas en matière de sécurité », rappelle-t-elle. Doit-on réellement craindre, comme Michel Armand, un accident susceptible de tuer la filière dans l'oeuf ?

LA PRÉÉMINENCE DU MATÉRIAU EN DISCUSSION

Lors d'une surtension, des échauffements locaux se produisent au niveau des électrodes d'une batterie. L'emballement thermique correspond à une montée en température incontrôlable pouvant aboutir à une inflammation. Il touche principalement les cellules vieillissantes ou défectueuses. « Quel que soit le matériau, aucune batterie lithium-ion n'est à l'abri de ce phénomène », explique Serge Pélissier, ingénieur à l'Institut national de recherche sur les transports et leur sécurité (Inrets). « Mais dans l'absolu, Michel Armand dit vrai. Les études scientifiques montrent que l'emballement thermique est moins fréquent sur les cellules en phosphate de fer. »

Tout comme les constructeurs, la majorité des chercheurs continuent pourtant à considérer le manganèse comme la seule option valable pour la filière électrique. « Le choix d'une technologie dépend d'un arbitrage technico-économique », explique Thierry Koskas, directeur du programme véhicule électrique chez Renault. « Or la densité énergétique des batteries au manganèse est bien supérieure à celles du phosphate de fer. » Un raisonnement du reste contesté par Michel Armand. Le chercheur montre l'exemple des constructeurs chinois, qui ont très tôt choisi le phosphate de fer et produiraient selon lui « des batteries d'un niveau de performance énergétique équivalent ».

« Heureusement, la sécurité des batteries ne s'arrête pas au choix du matériau », contre-attaque Thierry Koskas, qui souligne la fiabilité des nombreux systèmes de sécurité greffés sur un pack de batterie. « Il arrive qu'une cellule dysfonctionne. Mais tous les garde-fous sont prévus pour que ce dysfonctionnement soit sans conséquence », assure-t-il.

LE CONTRÔLE ÉLECTRONIQUE DES BATTERIES

Un pack de batterie classique regroupe des centaines de cellules organisées en modules d'une dizaine d'unités chacun. Chaque module est relié à un dispositif de contrôle intelligent qui relève voltages et/ou températures extrêmes. Ce « diagnostic de santé » permet d'isoler les cellules à risque, par exemple en surtension. Forte de ces informations, l'unité centrale du pack, le Battery Management System (BMS), appelle le courant des différents modules en ménageant ceux « à risque ». À cette sécurité active s'ajoute un second niveau passif constitué de fusibles et de soupapes. Si un échauffement se produit malgré tout, ce dispositif déconnecte mécaniquement les cellules en surchauffe.

Pour Rachid Yazami, chercheur spécialiste des batteries au California Institute of Technology, cette surveillance n'est pas parfaite : « Mesurer la température ou le voltage aux bornes d'une cellule ne suffit pas. Pour anticiper, il faudrait repérer la création des points chauds à l'intérieur même de celle-ci ». Une solution qui impliquerait des ruptures technologiques pas encore à l'ordre du jour. Chez Renault, on souligne la complexité des BMS : « Les électrochimistes sont parfaitement compétents pour parler des matériaux. Mais les systèmes électroniques complexes nécessitent des compétences d'ensembliers. C'est le job des constructeurs », affirme Thierry Koskas. Le directeur du programme électrique de Renault rappelle que de multiples niveaux de redondance sont prévus pour éviter toute défaillance.

BESOIN D'ESSAIS PUBLICS

Quelles preuves de la fiabilité de ces systèmes existe-t-il ? Et si le feu se déclare, quid de la toxicité des dégagements ? À ce titre, les constructeurs conduisent des essais abusifs sur leurs batteries. Ainsi, Renault affirme que ses batteries satisfont aux normes de sûreté, en termes de toxicité comme de résistance aux sollicitations extrêmes. Mais en réalité, le secret industriel épais qui entoure la filière empêche de lever le doute. Les résultats de ces tests demeurent très confidentiels. Second « hic » : ces tests concernent très majoritairement des cellules ou des ensembles de cellules. Très peu semblent avoir été menés en conditions réelles, c'est-à-dire sur des packs de taille finale et dans l'environnement d'utilisation d'un véhicule.

Un manquement qui devrait être corrigé prochainement. Suite au rapport de l'Ineris, la Direction de la sécurité civile a commandé des tests publics sur les batteries. Reste à établir des protocoles d'essais standardisés. Un sujet délicat pour des industriels dont les options technologiques ne sont pas toujours figées. Selon l'Ineris, qui coordonne le projet, les premiers essais devaient débuter au mois de septembre. Les résultats préliminaires sont prévus avant la fin de l'année. Fiabilité des batteries, caractéristiques des feux... ces tests auront la lourde de tâche de confirmer ou d'invalider la sérénité affichée aujourd'hui par les constructeurs.

ENJEU

En France, le secteur des transports représente 34 % des émissions de CO2. Face à cette nouvelle donne environnementale, la voiture électrique est revenue au goût du jour. Ces dernières années beaucoup de constructeurs se sont ainsi lancés dans des programmes électriques. Le ministère de l'Écologie affichait en 2010, suite au Grenelle de l'environnement, des objectifs ambitieux : 450 000 véhicules électriques en circulation d'ici à 2015 et deux millions d'ici 2020 ! Un tableau idyllique que quelques voix discordantes sont venues troubler ces derniers mois. Des problèmes de sécurité pourraient-ils menacer ce mode de transport « vert » ?

Le lithium-ion : une technologie à hauts risques

La voiture électrique pourrait-elle devenir la bête noire des pompiers et garagistes ? Les quelque 200 volts d'un moteur électrique nécessitent des formations et un outillage spécifique encore rares. Autre crainte des soldats du feu : comment identifier à l'avance les imprévisibles feux de voitures électriques pour prévoir les moyens d'intervention efficaces ? De leur côté les constructeurs assurent que tous les garde-fous sont prévus mais aucune étude de la fiabilité n'a été rendue publique.

INCENDIE

Les électrodes positives au manganèse utilisées par les constructeurs ne sont pas à l'abri d'un emballement thermique. Et donc d'un éventuel incendie du véhicule. Les constructeurs affirment ne pas transiger avec la sécurité. Ils ont prévu des systèmes de refroidissement et de surveillance automatique. Sont-ils suffisants ?

TOXICITÉ

La solution conductrice, ou électrolyte, des batteries lithium-ion dégage du fluorure d'hydrogène en brûlant. Un gaz potentiellement toxique. Les constructeurs ont procédé à des tests d'évaluation sur des feux de batterie qui se veulent rassurants. Mais leur contenu reste confidentiel...

INTERVENTION RISQUÉE

Les feux de lithium, matériau très réactif à l'humidité, sont très difficiles à contrôler. Comment les éteindre facilement ? Comment intervenir sur un véhicule accidenté sans se faire électrocuter ? Constructeurs et équipementiers doivent établir au plus vite des normes d'intervention.

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