Sécurité des batteries lithium-ion

La sécurité des batteries lithium-ion n'est pas un sujet simple. Quels sont les risques liés à l'utilisation des batteries lithium-ion ? Comment prévenir tout problème de sécurité ?

Risque lié à l'utilisation d'une batterie lithium-ion

Lorsqu'elle est soumise à des températures croissantes, quelle que soit sa composition chimique, il existe un seuil à partir duquel une réaction d'emballement thermique se déclenche. Cette réaction provoque une importante production de gaz à l'intérieur de la cellule, qui sera évacué soit par un évent spécifique, soit par l'explosion du boîtier de la batterie.

Pour garantir la sécurité et pour tous les types de chimie, il faut empêcher tout emballement thermique. Un système électronique de gestion de batterie (BMS) surveille la batterie et l'isole de l'application en cas d'urgence. Le BMS détecte la température de la batterie et tout événement pouvant entraîner son échauffement (surcharge, surintensité, défaut d'isolation, etc.). Il s'agit d'un composant essentiel pour garantir la sécurité de la batterie, qui doit être développé conformément aux normes de sécurité fonctionnelle les plus récentes (ISO61508, ISO13849 et/ou ISO26262, par exemple). De plus, des protections mécaniques empêchent tout court-circuit interne de se produire à l'intérieur de la batterie pendant son utilisation normale (non protégée par le BMS).

Enfin, en cas d'emballement thermique accidentel (défaut de fabrication), la conception de la batterie doit être vérifiée afin d'empêcher la propagation de l'emballement thermique à l'ensemble de la batterie (distance entre les cellules, séparation des batteries, test de propagation conformément à la norme CEI 62619).

Les graphiques ci-dessous présentent les résultats des tests d'emballement thermique pour des cellules 18650 de différentes compositions chimiques (NCA à gauche et LFP à droite). L'article complet est disponible à l'adresse suivante : https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2015/ra/c5ra05897j.

L'emballement thermique des cellules LFP se déclenche plus tardivement que celui des cellules NCA et la vitesse d'emballement est plus lente. Mais en cas d'emballement thermique, le danger reste présent avec une température atteinte de 450 °C et une propagation possible aux cellules adjacentes si celles-ci sont collées les unes aux autres.

Vous trouverez dans le lien suivant une vidéo d'un emballement thermique d'une cellule LFP : https://www.youtube.com/watch?v=p21iZVFHEZk. Il n'y a pas d'incendie, mais un fort dégagement de gaz suivi de l'explosion de la cellule (entre 2 min et 2 min 25 s dans la vidéo).

À l'adresse suivante, vous trouverez la vidéo de la propagation de l'emballement thermique d'une cellule 18650 à l'autre (la chimie LCO est la plus réactive) : https://www.youtube.com/watch?v=24fYrV2vCPk.

Le paragraphe suivant énumère les différents risques à prendre en compte lors de la conception d'une batterie lithium-ion et les mesures de protection qui peuvent être prises.

Décharge profonde

Le chargement d'une batterie après un long stockage à très basse tension (inférieure aux spécifications du fabricant) peut provoquer un incendie de la batterie. Toutes les technologies utilisant du graphite comme électrode négative sont concernées (LFP, NCA, NMC…). Les technologies utilisant une électrode négative LTO sont moins sensibles à ce problème (voir la présentation TechLetter WATTALPS sur les électrodes négatives et positives ).

Moyen de protection recommandé par WATTALPS: un BMS avec mesure de la tension de chaque cellule, détection du seuil de tension et machine à états développée pour empêcher toute charge après une décharge profonde.

Surcharge

Contrairement aux batteries au plomb ou NiMH, les batteries lithium-ion ne supportent pas les surcharges. Certaines cellules peuvent être équipées d'une protection contre les surcharges jusqu'à 12 V, mais cette protection n'est pas efficace pour les systèmes de batteries à tension plus élevée. La surcharge d'une batterie déclenche donc un emballement thermique du système.

Moyen de protection recommandé par WATTALPS: le BMS doit contrôler la tension de chaque cellule et détecter toute surtension d'une cellule. En cas de surtension, le BMS doit déconnecter la batterie de l'application. Pour certaines applications, il n'est pas sûr de déconnecter la puissance avertissement. Cela doit être pris en compte dans le développement de la batterie.

Surintensité en charge/décharge

Pendant la charge, une surintensité entraînera un dépôt de lithium sur l'électrode négative (les technologies LTO sont moins sensibles à ce phénomène). Une surintensité répétée pendant la charge créera donc des dendrites de lithium, qui finiront par traverser le séparateur et court-circuiter les cellules concernées, entraînant un emballement thermique.

Moyen de protection recommandé par WATTALPS: Le BMS doit surveiller le courant, la température et l'état de charge de la batterie. Une cartographie de la limitation de courant en fonction de ces variables permettra de détecter tout fonctionnement en dehors de la zone de sécurité spécifiée par le fabricant et entraînera la déconnexion de la batterie de l'application.

Surchauffe

Au-delà d'une température seuil (environ 75 à 100 °C), une réaction d'emballement thermique se produit pour tous les types de technologie lithium-ion. Cela entraîne une température élevée de la cellule, le dégagement de gaz inflammables sous pression et peut provoquer un incendie et/ou une explosion de la batterie.

Moyen de protection recommandé par WATTALPS: le BMS doit mesurer la température de la batterie et détecter tout dépassement du seuil spécifié par le fabricant. Tout fonctionnement en dehors du seuil de sécurité doit déclencher la déconnexion de la batterie de l'application.

Court-circuit interne à la cellule

Lors de la fabrication des cellules lithium-ion, les collecteurs de courant en cuivre et en aluminium sont découpés. À cette étape, des particules de cuivre et d'aluminium peuvent se retrouver sur les électrodes des cellules. Après une certaine période d'utilisation, ces particules peuvent traverser le séparateur et provoquer un court-circuit dans la cellule, entraînant un emballement thermique de celle-ci.

Moyen de protection recommandé par WATTALPS: conception de la batterie permettant l'évacuation des gaz d'échappement en cas d'emballement thermique d'une seule cellule et espacement entre les cellules. Validation grâce à un test de propagation conforme aux normes IEC62619, SAEJ2464 ou UL2271.

Court-circuit externe

Une mauvaise connexion de la batterie ou un accident peut créer un contact électrique entre les pôles positif et négatif du bus CC. Un tel court-circuit peut provoquer un incendie associé à un fort échauffement de la batterie, entraînant un emballement thermique global de la batterie.

Protection: un fusible correctement dimensionné doit être choisi pour les courts-circuits à faible impédance et le BMS doit être capable de se déclencher en cas de surintensité due à un court-circuit à impédance plus élevée. Un test de court-circuit externe tel que proposé par l'ADR (UN38.3) ou l'UN R100 v2 permettra de valider la configuration.

Court-circuit interne de la batterie

Les chocs et vibrations liés à l'application, ainsi qu'un accident, peuvent créer un contact électrique entre deux pièces conductrices à l'intérieur de la batterie, entraînant un court-circuit interne avec les mêmes conséquences que le précédent.

Moyen de protection recommandé par WATTALPS: le produit doit être conçu de manière à empêcher tout contact entre les parties conductrices et toute autre partie métallique. Des essais de chocs et de vibrations pour le transport permettront de valider la conception. Par exemple, les essais exigés par l'ADR (UN38.3) ou par la réglementation automobile R100 v2 (chocs, vibrations, intégrité mécanique).

Feu

Un incendie externe peut augmenter la température de la batterie jusqu'au seuil de l'emballement thermique.

Moyen de protection recommandé par WATTALPS: conception de la batterie avec des matériaux ininflammables et validation par un test incendie conforme à la réglementation automobile R100 révision 2.

Électrocution

Pour les batteries dont la tension est supérieure à 60 V, toute personne entrant en contact avec des parties conductrices sous tension court un danger mortel.

Moyen de protection recommandé par WATTALPS: La batterie doit être conçue pour garantir une bonne isolation électrique, par exemple conformément à la norme NF EN 61439-1. La conception doit être validée par un test diélectrique à 2 fois la tension nominale + 1000 V et par la mesure de la résistance d'isolement conformément à la réglementation automobile UN R100 révision 2. Un dispositif de contrôle d'isolement peut être ajouté au système afin de surveiller en permanence la résistance d'isolement entre les pôles de la batterie et le châssis.

Nous pouvons conclure que deux facteurs principaux contribuent à la sécurité des batteries :

• Le système de gestion de batterie (BMS) : il doit être développé conformément aux normes internationales relatives à la sécurité fonctionnelle des équipements électroniques (CEI 61508, ISO 13859, ISO 26262, etc.).
• Conception du produit et tests de qualification : la conception de la batterie doit être particulièrement soignée et robuste. Cette robustesse doit être vérifiée à l'aide de tests de qualification.

Synthèse