La sécurité des batteries Lithium-ion

Le lithium-ion désigne une famille de technologies de batteries à base de lithium.. Cette famille comprend plusieurs sous-familles ou technologies, telles que :

LCO : Oxyde de lithium et de cobalt
NCA : Nickel Cobalt Aluminium
NMC : Nickel Manganèse Cobalt
LiFePO4 ou LFP : phosphate de fer lithié
LTO : Lithium Titanate Oxide, etc...

On entend souvent dire qu'un produit est équipé de batteries « Lithium-Ion », cela n’a pas réellement de signification sur la technologie utilisée. Cependant, par habitude, la technologie désignée par le terme Lithium-Ion est généralement le LFP, LCO, NCA, NMC ou encore LTO.

Chacune de ces technologies a des caractéristiques très différentes, notamment en termes de sécurité, de durée de vie mais aussi de recyclabilité, ou encore d'usage de terres et métaux rares. Ces informations sont comparées dans le tableau ci-dessous.

Technologie	Avantages / inconvénients	Domaine d'application
Lithium Fer Phosphate (Solid-State) Radar LFP Solid-State	Excellente durée de vie Très faible augmentation de la température de la cellule en cours d'utilisation Un niveau de sécurité extrêmement élevé Charge complète en 30 minutes Densité de puissance très élevée Coût Matière abondante : Fer + Phosphate Bonne recyclabilité Énergie spécifique légèrement inférieure à celle du LCO, du NMC et du NCA	Traction de véhicule (EV) et traction lourde Propulsion marine Robotique et AGV Applications à haute puissance Stockage des énergies renouvelables Onduleur, sauvegarde, etc.
Lithium Fer Phosphate (LFP-LiFePO4) Radar LFP	Très bonne durée de vie Haut niveau de sécurité Puissance spécifique Matière abondante : Fer + Phosphate Bonne recyclabilité Coût Énergie spécifique légèrement inférieure à celle du LCO, du NMC et du NCA	Traction du véhicule (EV) applications à haute puissance Stockage des énergies renouvelables Stockage Stationnaire Onduleur, sauvegarde, etc.
Oxyde de lithium et de cobalt (LCO) Radar LCO	Énergie spécifique Durée de vie limitée Chimie dangereuse si elle est mal contrôlée Matières rares : Cobalt recyclabilité	Application de faible puissance Outils électriques
Lithium Nickel Cobalt Aluminium (NCA) Radar NCA	Énergie spécifique Puissance spécifique Coût Chimie dangereuse si elle est mal contrôlée Matières rares : Cobalt + Nickel recyclabilité	Applications embarquées EV Outils électriques, etc.
Lithium Nickel Manganèse Cobalt (NMC) Radar NMC	Énergie spécifique Durée de vie limitée Sécurité Matières rares : Cobalt + Manganèse + Nickel recyclabilité	Applications embarquées EV Outils électriques, etc. Powerwall (TESLA)

Emballement thermique (Thermal Runaway)

L'une des principales causes de danger pour les cellules lithium-ion est liée au phénomène de l'emballement thermique en opération normale. Il s'agit d'une réaction d'échauffement de la batterie en cours d'utilisation, causée par la nature des matériaux utilisés dans la chimie de la batterie.

L'emballement thermique est principalement causé par la sollicitation des batteries dans des conditions spécifiques, telles qu'une surcharge dans des conditions climatiques défavorables. Le résultat de l'emballement thermique d'une cellule dépend de son niveau de charge et peut conduire, dans le pire des cas, à une inflammation, voire à une explosion de la cellule lithium-ion.

Cependant, en raison de leur composition chimique, tous les types de technologie lithium-ion n'ont pas la même sensibilité à ce phénomène. La figure ci-dessous montre l'énergie produite lors d'un emballement thermique induit artificiellement.

On peut constater que parmi les technologies lithium-ion mentionnées ci-dessus, Les LCO et les NCA sont les produits chimiques les plus dangereux du point de vue de l'emballement thermique avec une augmentation de température d'environ 470°C par minute. Les NMC dégage une énergie environ deux fois inférieure, avec une élévation de 200°C par minute, mais ce niveau d’énergie provoque dans tous les cas, la combustion interne des matériaux et l’inflammation de la cellule.. En outre, on peut constater que LiFePO4 - Technologie LFP est faiblement sujette au phénomène d’emballement thermique avec une augmentation de la température d'à peine 1,5°C par minute. . Avec ce très faible niveau d'énergie libérée, la l'emballement thermique en opération normale de la technologie du lithium-phosphate de fer est un événement intrinsèquement peu improbable en fonctionnement normal, et même très difficile à déclencher artificiellement. Plus récemment, avec l'arrivée de Technologie LFP Solid-State, Le niveau de sécurité dépasse aujourd'hui toutes les normes de sécurité, avec un emballement thermique intrinsèquement quasi-impossible à déclencher en conditions d’opérations normales. Combiné à un BMS actif, Le phosphate de fer lithié (LifePO4 - LFP) est actuellement la technologie lithium-ion la plus sûre sur le marché.

Sécurité mécanique des cellules lithium-ion

Tout comme l'emballement thermique, les cellules lithium-ion ont un niveau de sécurité différent selon les chocs ou les traitements mécaniques qu'elles peuvent subir au cours de leur vie. Le test de pénétration des clous est le moyen le plus révélateur pour qualifier le niveau de sécurité des batteries au lithium-ion. Le test présenté ci-dessous est réalisé en perforant une cellule Lithium-Ion NMC et une cellule Lithium-Ion LiFePO4. On retrouve ici le même comportement extrêmement stable des piles au lithium-fer-phosphate alors que la pile NMC s'enflamme presque immédiatement. Pour information, les cellules LCO, NCA, ou Lithium Polymère ont un comportement similaire à la NMC lors d'un test de perforation (inflammation immédiate).