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Les batteries lithium-ion enflamment... le Web

Les batteries lithium-ion enflamment... le Web

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Les batteries lithium-ion ont fait parler d'elles suite à divers incendies. Les industriels planchent sur la sécurisation de ces accumulateurs, promis à un bel avenir dans les transports électriques.

Des voitures qui explosent, des téléphones qui brûlent, des avions qui s'enflamment. Tout dernièrement, c'est la vidéo de l'embrasement d'une voiture électrique de Tesla Motors qui a mis le feu à la Toile. Le Boeing 787 avait connu des déboires identiques début 2013, contraignant l'avionneur à immobiliser brièvement cinquante appareils. En février 2012, c'est un laboratoire de General Motors, à Warren, qui avait été confronté au même problème. Auparavant, entre 2004 et 2006, une quinzaine d'incendies de téléphones et d'ordinateurs avaient été répertoriés, conduisant d'ailleurs Dell à rappeler 4 millions de batteries en août 2006. Le responsable de ces incendies à répétition ? Les batteries lithium-ion. Mis en vente pour la première fois en 1991, ces accumulateurs ont aujourd'hui envahi le marché des téléphones mobiles. Les analystes leur prévoient un bel avenir dans les voitures électriques. Seul hic : leurs problèmes récurrents de sécurité. Mais pourquoi prennent-elles feu ? La faute à un emballement thermique. Pour comprendre, il faut savoir que les batteries lithium-ion sont rassemblées en plusieurs cellules, constituées chacune de deux électrodes isolées par un séparateur et un solvant électrolyte.

 

Surchauffe et surcharge sont les principaux ennemis

 

Le problème de l'inflammation provient d'une part de l'instabilité de la cathode, et de l'autre de l'électrolyte, qui est inflammable. Car l'explosion survient par suite d'un emballement thermique. Trois types d'événements peuvent y conduire. Tout d'abord, la surcharge entraîne la formation de dendrites de lithium métalliques qui vont aller toucher l'autre électrode et créer un court-circuit. La présence de dendrites peut aussi provenir d'un choc ou d'une température inférieure à - 5 °C. Le court-circuit cause un échauffement de la cellule. Or le système est peu capable d'évacuer la chaleur, il entre alors dans le phénomène d'emballement thermique. Une simple surchauffe extérieure peut causer ce problème. Une fois ce stade atteint, la batterie éclate, ce qui provoque la fuite de l'électrolyte, un solvant organique inflammable, souvent de l'hexafluorophosphate de lithium et des sels métalliques. Dans ces cas-là, il suffit d'une étincelle ou même une surface chaude pour générer une explosion. L'électrolyte contient aussi différents éléments qui peuvent dégager un gaz toxique, le fluorure d'hydrogène. L' Institut national de l'environnement industriel et des risques (Ineris) a montré que lors d'un incendie, la concentration de ce gaz atteint des effets irréversibles au bout de 10 minutes. Depuis 2006, les systèmes électroniques de contrôle de l'état des différents éléments des batteries (BMS, ou battery management system) ont bien progressé et permettent d'éviter l'emballement thermique. Les industriels ajoutent aussi des précautions d'emploi nécessaires (éviter les surcharges, les surchauffes, les trop fortes tensions). Pour l'instant, des batteries lithium-ion de faible poids utilisées pour de petits appareils (téléphones, ordinateurs, vélos) ne posent généralement plus de problème.

Pour une utilisation sans risque, la température moyenne se situe entre - 5 et 120 °C. Mais la stabilité de l'ensemble diffère aussi en fonction des éléments internes et surtout de l'usage que l'on a de la batterie. Selon une étude menée par Marie-Liesse Doublet, directrice de recherche au sein de l'Institut Charles Gerhardt de l'université de Montpellier, l'électrode négative constituée aujourd'hui en grande majorité de graphite peut provoquer des courts-circuits. Au niveau des éléments, scientifiques et industriels collaborent pour résoudre le problème. Début 2013, une équipe du laboratoire national d'Oak Ridge, dans le Tennessee, a transformé l'électrolyte pour le rendre poreux, ce qui éviterait toute explosion et accélérerait la conduction des ions. « Solide, l'électrolyte possède une réactivité d'une surface moindre. Mais pour être efficace elle doit être chauffée à plus de 60 °C, cela demande de l'énergie externe » note Rita Baddour-Hadjean, directrice de recherche à l'Institut de chimie et des matériaux de Paris-Est.

 

Les recherches pour sécuriser les batteries

 

Le choix de l'électrode positive est aussi primordial. Boeing avait opté pour du dioxyde de cobalt dont la densité énergétique est plus importante que le manganèse. Mais il y a des risques d'oxydation de l'électrolyte qui est alors consommé et dégage de l'oxygène. La pression dans la cellule augmente et crée un emballement thermique. La masse nécessaire pour un avion rend trop risqué cet ensemble. « Les batteries lithium-fer-phosphate sont plus sécurisées car elles ont un potentiel plus bas, mais c'est au détriment de l'énergie » précise Rita Baddour-Hadjean. Elles possèdent cependant la même densité d'énergie que pour les lithium-manganèse... Et les industriels misent beaucoup sur ce produit, comme Tisong pour les scooters électriques, et Veloscoot, Gepida, Ozo ou Cosbike, pour les vélos électriques. Le projet de recherche Bibat sur les batteries lithium-fer-phosphate de Luc Federzoni, chercheur au CEA, a reçu 1,4 million d'euros de la commission européenne dans le cadre d'un programme Life. Ce projet est lié à l'entreprise Prollion qui propose déjà de telles batteries. Pour éviter les problèmes internes, des garde-fous ont été mis en place. Le système BMS (Battery management system) est le plus important. Il coupe le circuit s'il enregistre une tension anormale au sein des cellules. À cela s'ajoutent des systèmes de régulation thermique censés éviter toute surchauffe interne au système. Pour Luc Federzoni, « c'est en jouant sur le packaging, qu'il est possible d'éliminer les risques. Il faut étudier les packaging organiques, en polymères peut-être plus sécurisés que ceux en métal ». Si l'image de la batterie lithium-ion souffre bel et bien des questionnements autour de la sécurité, l'avenir de cette technologie reste pourtant prometteur.

Un marché en pleine explosion...

- En 2009, la France exportait 779 317 batteries et en importait 4 197 250. - En 2012, ces quantités atteignaient respectivement 1 118 973 et 3 073 771. Principaux leviers de cet essor de la demande : les terminaux mobiles, téléphones et ordinateurs en tête. Quant au secteur du véhicule électrique il ne représente pour l'instant que 6 % de ce marché, mais se développe rapidement.

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