Les batteries lithium sont classées comme intégrant des matières dangereuses car elles peuvent, dans de rares circonstances, présenter un risque d’emballement thermique pouvant mener jusqu’à l’explosion. Voici quelques explications sur ce phénomènes et l’enchaînement d’évènements, en particulier chimiques, qui se présentent.
Cas présenté
Nous allons prendre pour exemple un module batterie équipé de cellules NMC, qui sont encore les plus courantes aujourd’hui.
Nous allons également nous mettre dans un cas d’abus lié à une surcharge électrique. En effet plus de 70% des incidents ont lieu pendant la charge de la batterie.
Les valeurs données ici sont indicatives et n’ont pour vocation que de donner un ordre de grandeur.
Déroulé des évènements
1. Etat de fonctionnement normal de la batterie.
La batterie est maintenue dans sa plage normale de fonctionnement
– gamme de tension ~ 3,6V-4,2V (mesures réalisées sur chaque cellule)
– plage de température ~0°C-50°C (capteurs dans les modules)
– batterie mécaniquement intègre (protections mécaniques)
2. T0 : Un évènement redouté fait sortir la batterie de sa zone normale
– Surcharge avec tension > 4,2V
– température de la cellule > 60°C
– abus mécanique comme un percement
– défaut interne dû à une panne ou à l’usure de la batterie
3. T0 à T0 + 30mn. Echauffement lent
La température des cellules s’échauffe lentement jusque 80°C du fait caractéristiques électriques de la cellule.
4. T0+ 30mn à T0 +60mn. Echauffement rapide et premiers dégagements
A partir de 80°C, l’électrolyte commence à se décomposer provoquant les premières générations de gaz. La température monte encore, allant jusque dépasser plus de 100°C.
La pression dans la cellule monte, la valve de sécurité est encore étanche.
5. T0 +60mn à T0+70mn. Accélération des décompositions
Au delà de 130°C ce sont les couches d’interface SEI qui se décomposent à présent.
La génération de gaz est plus importante, la température et pression continuent à monter
6. T0+70mn à T0+75mn. Emballement et ouverture de la valve de sécurité
La température dépasse 180°C et c’est la cathode qui se décompose à présent.
L’augmentation de température est très rapide.
La pression monte jusqu’à déclencher l’ouverture de la valve de sécurité qui évite une explosion de l’ensemble du module.
7. T0+75mn à T0+80mn. Pic de l’emballement thermique
La température est à son pic d’environ 600-1000°C. Des flammes et de gros volumes de gaz brûlants sont générés. Le risque d’explosion est présent mais fortement limité par la valve ouverte.
Conclusion
Le déclenchement de situations dangereuses liées à une batterie lithium provient d’un évènement la sortant de sa plage de fonctionnement normal, le plus souvent une surcharge.
L’enchaînement des évènements est systématiquement lié à des échauffements internes générant des réactions chimiques qui augmentent cette génération de chaleur (d’où notion d’emballement thermique).
La gestion thermique de la batterie est important et pris en compte par les fabricants qui intègrent systématiquement des capteurs de température au coeur des modules batterie.
A noter que ce phénomène est identique sur des batteries de type LiFePo4. Cependant les seuils de température sont plus élevés, réduisant ainsi les risques d’emballement thermique.