La sécurité des batteries Lithium-Ion

Le Lithium-Ion désigne une famille de technologie de batterie à base de Lithium. Cette famille englobe plusieurs sous-familles ou technologies, comme par exemple :

  • LCO: Lithium Cobalt Oxide
  • NCA: Nickel Cobalt Aluminium
  • NMC: Nickel Manganese Cobalt
  • LiFePO4 or LFP: Lithium Fer Phosphate
  • LTO: Lithium Titanate Oxide, etc…

Souvent, on peut entendre 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 LCO, NCA ou NMC

Chacune de ces technologies possède des caractéristiques très différentes, et notamment en terme de sécurité, que l’on peut retrouver dans le tableau ci-dessous.

TechnologieAvantages / Inconvénientschamps d’application
Lithium Iron Phosphate (LFP-LiFePO4)
Lithium Iron Phosphate Radar (BCG Research)
LFP Radar (BCG Research)
  • Excellente durée de vie
  • Grande sécurité
  • Coût
  • Materiaux abondants et neutres : Fer, Phosphate
  • Densité d’énergie plus faible que le Lithium Cobalt Oxyde
  • Traction véhicules (EV)
  • Applications de puissance
  • Stockage d’énergies renouvelables
  • Batteries stationnaires
  • UPS, etc.
Lithium-Cobalt-Oxyde (LCO)
LCO Radar (BCG Research)
LCO Radar (BCG Research)
  • Densité d’énergie
  • Chimie dangereuse si mal maîtrisée
  • Durée de vie
  • Métaux rares : Cobalt
  • Applications de faible puissance
  • Outillage portable
Lithium Nickel Cobalt Aluminium (NCA)
NCA Radar (BCG Research)
NCA Radar (BCG Research)
  • Densité d’énergie
  • Densité de puissance
  • Sécurité
  • Métaux rares : Cobalt
  • Coût
  • Traction véhicules électriques (TESLA)
  • Applications de puissance
  • Outillage, etc.
Lithium Nickel Manganese Cobalt (NMC)
NMC Radar (BCG Research)
NMC Radar (BCG Research)
  • Densité d’énergie
  • Durée de vie
  • Sécurité
  • Métaux rares : Cobalt + Manganèse (métal de transition)
  • Applications embarquées
  • Outillage, etc.
  • PowerWall (TESLA)

Emballement thermique (Thermal Runaway)

L’une des cause principale de danger des cellules Lithium-ion est liée au phénomène d’emballement thermique (thermal runaway). Il s’agit d’une réaction d’échauffement de la batterie durant l’utilisation, causée par la nature des matériaux utilisés dans la chimie de la batterie.

L’emballement thermique est principalement causé par l’utilisation des batteries dans des conditions spécifiques, comme la sur-sollicitation dans des conditions climatiques défavorables. Le résultat d’un emballement thermique d’une cellule dépend de son niveau de charge et peut conduire dans le pire des cas à une inflammation, voire une explosion de la cellule Lithium-Ion.

Cependant, tous les types de technologie Lithium-Ion, du fait de leur composition chimique, n’ont pas la même sensibilité à ce phénomène.

La figure ci-dessous présente l’énergie générée par différentes technologies lithium-ion, lors d’un emballement thermique provoqué artificiellement.

Emballement Thermique Technologie Lithium-Ion
Emballement Thermique Technologie Lithium-Ion

On constate que parmi les technologies Lithium-Ion citées précédemment, le LCO et le NCA sont les chimies les plus dangereuses d’un point de vue de l’emballement thermique avec une élévation de température maximale d’environ 470°C par minute.
Le 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.

Par ailleurs, on constate que la technologie LiFePO4 – LFP est faiblement sujette au phénomène d’emballement thermique, avec une élévation de température d’à peine 1.5°C par minute.

Avec ce très faible niveau d’énergie dégagée, Il est très peu probable qu’une batterie Lithium Fer phosphate subisse un emballement thermique en opération normale, et ce phénomène est presque impossible à déclencher artificiellement.

Associé à un BMS, Le Lithium Fer Phosphate (LifePO4 – LFP) est actuellement la technologie Lithium-Ion la plus sécurisée du marché.

Sécurité mécanique

Tout comme l’emballement thermique, les cellules Lithium-ion possèdent un niveau de sécurité différent en fonction des chocs ou des traitements mécaniques qu’elles peuvent subir durant leur vie.

Le test de pénétration est le plus révélateur pour qualifier la sécurité d’une technologie de cellules.

Le test présenté ci dessous est effectué en perforant une cellule Lithium Ion NMC et une cellule Lithium Ion LiFePO4.

On retrouve ici le même comportement extrêmement stable des cellules Lithium Fer Phosphate alors que la cellule NMC s’enflamme quasiment immédiatement.

Pour information, les cellules LCO, NCA, ou encore Lithium Polymère ont un comportement similaire au NMC lors d’un test de perforation (inflammation immédiate).

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