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.

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

Le produit PowerRack est une solution de batteries 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 constate que LiFePO4 – 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 faible niveau d'énergie libérée, l'emballement thermique en opération normale des cellules Lithium Fer Phosphate est un événement intrinsèquement peu improbable , et même très difficile à déclencher artificiellement.

Plus récemment, avec l'arrivée de technologie LFP Solid-State, le niveau de sécurité dépasse aujourd'hui tous les standards de sécurité, avec un emballement thermique intrinsèquement quasi-impossible à déclencher en conditions d’opérations normales.

Associée à notre technologie BMS Matrix, les packs LFP à électrolyte solide comme le PowerModule Solid-State sont actuellement les produits les plus sûrs du marché..

Sécurité mécanique

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.
Les tests de pénétration de clou est le moyen le plus révélateur pour qualifier le niveau de sécurité des cellules lithium-ion.

 

Le test présenté ci-dessous est réalisé en perforant une cellule Lithium-Ion NMC et une cellule 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 toutes un comportement similaire au NMC lors d'un test de perforation (inflammation immédiate)

Tests destructifs des chimies Lithium Polymère (LiPo) / Lithium Titanate (LTO) / Lithium Fer Phosphate (LFP) :