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Tesla, hoverboard, smartphones... : pourquoi les batteries lithium-ion prennent feu

Tesla, hoverboard, smartphones... : pourquoi les batteries lithium-ion prennent feu

Quand les tesla prennent feu.

Ce 1er janvier, une Tesla S a entièrement brûlé... et ce sans aucun lien avec le passage à la nouvelle année, mais du fait de l'inflammation de sa batterie. Les batteries lithium-ion continuent de faire parler d'elles pour les incendies et explosions dont elles sont responsables. Les solutions de monitoring avancé des batteries et de batteries "solides" progressent pour rendre les batteries sûres.

Vendredi 1er janvier, une voiture électrique Tesla Model S, a entièrement brûlé en Norvège pendant le rechargement de sa batterie lithium-ion. Les médias publiaient des photos montrant des flammes de plusieurs mètres de haut ! Ce n’est pas une première pour la Tesla S. En 2013, plusieurs véhicules électriques ont connu ce type de problèmes. Et ce ne sont pas les seules machines concernées par ce problème. Le 16 janvier 2013, un Boeing 787 de la compagnie japonaise ANA avait été forcé d'atterrir en urgence après le signalement d'un problème de batterie. L'enquête avait montré qu'il s'était produit un emballement thermique. Auparavant, entre 2004 et 2006, une quinzaine d'incendies de téléphones et d'ordinateurs avaient été répertoriés. Aujourd’hui, ce sont les Segways de type Hoverboard qui sont les victimes à répétition depuis quelques mois d’accidents dûs aux batteries qui prennent feu. Tant et si bien qu’Amazon a retiré l’Hoverboard de ses rayons de peur qu’elles ne s’enflamment pendant la livraison ! Car les batteries ne sont pas seulement dangereuses lorsqu’elles sont en fonctionnement ou en rechargement mais le sont également à l’état passif, lorsqu’elles sont transportées d’un lieu à l’autre par exemple.

L'emballement thermique responsable de l'explosion des batteries

D’où vient donc cette propension des batteries à s’enflammer ? 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 où circulent les ions. L’emballement thermique de la batterie entraîne son éclatement et l'échappement 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. Comme nous l’expliquions déjà en détail dans un article sur l'explosion des batteries lithium-ion, trois types d’événements peuvent conduire à un emballement thermique de la batterie, qu’elle soit en fonctionnement ou non. Une surcharge peut entrainer la formation de dendrites de lithium métalliques qui vont toucher l'autre électrode et créent un court-circuit. Celui-ci entraine la montée en température de la cellule puis son emballement thermique. Un choc ou d'une température inférieure à - 5 °C peut également entrainer cette formation de dendrites. Enfin, une simple surchauffe extérieure peut également être à l’origine de l’emballement thermique.

Ces différents cas de figure sont d’autant plus probables que les batteries sont de mauvaise qualité. La qualité de la cathode, naturellement instable, est particulièrement en jeu. Mais pour qui connaît le coût de la batterie dans une voiture électrique, il n’est pas difficile d’imaginer que les constructeurs souhaitent économiser sur celui-ci. C’est pour cette raison que les Segways Hoverboard sont si peu coûteux... mais aussi qu'ils font périodiquement la Une pour des problèmes d'inflammabilité. Pour lutter contre ce problème récurrent des batteries lithium-ion, l’état de celles-ci doit être surveillé en temps réel, mais à terme, c’est la nature même des composants qui la composent qui doit être repensée.

Monitorer la batterie

Le BMS (Battery management system) 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. Récemment, une puce intelligente capable de diagnostiquer en temps réel l’état de sécurité de la batterie a été mise au point par le professeur Rachid Yazami, directeur de recherche au CNRS. Rachid Yazami, à l’origine de la conception de l’anode en graphite utilisée dans la majorité des batteries au lithium, se base sur l’entropie et l’enthalpie. « La puce accroît ses capacités de diagnostic au fur et à mesure qu’elle accumule des données sur la batterie. C’est une "puce savante" puisqu’elle apprend avec le temps », détaille Rachid Yazani. La puce interagit en temps réel avec le chargeur, qui en tient compte pour adapter sa charge. Un tel protocole augmente de manière significative la durée de vie de la batterie.

Des électrolytes solides pour demain

Solide, l’électrolyte ne serait plus inflammable, et plus facile à produire et à contrôler. C’est ainsi que le fabricant français Bolloré s’appuie sur des batteries lithium-ion-polymère, construites à partir de films de lithium solides et avec un électrolyte polymère fondu (une sorte de gel poreux). Mais celui-ci doit être constamment chauffé entre 60 et 80°C, tandis que la batterie se décharge vite à l’arrêt. L’avenir de la batterie sécurisée pourrait venir de la microélectronique. Du fait de l’avénement des objets connectés, les batteries qui doivent équiper ceux-ci doivent pouvoir augmenter leur capacité de stockage. Des premières technologies de batteries lithium-ion entièrement solides en couches minces ont été développées aux Etats-Unis par l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Ces batteries constituées d’électrolytes LiPON (lithium-phoshore-oxygène-azote) sont sur le marché depuis deux ou trois ans. Pour en améliorer les capacités de stockage, la start-up française I-TEN conçoit des batteries lithium-ion entièrement solides composées de plusieurs couches minces superposées, et où l’électrolyte est en céramique. Selon Fabien Gaben, fondateur de la start-up, ces batteries pourraient doubler l’énergie stockée dans un espace donné. « A terme, ce type de batteries devrait pouvoir être utilisé pour tous les types d’applications. Tous les grands constructeurs automobiles s’intéressent aux batteries "solides", à commencer par Toyota ».  Le constructeur  travaille notamment sur un type d’électrolyte solide à base de sulfure auquel il ajoute du germanium (Ge).

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