La sécurité des batteries Lithium-Ion et les risques associés

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.

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.

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 très difficile à déclencher artificiellement.

Avec l’arrivée récente de la technologie Lithium LFP Solid-State, le niveau de sécurité dépasse désormais tous les standards de sécurité, avec un emballement thermique intrinsèquement impossible à déclencher en conditions d’opérations normales.

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 des batteries Lithium-Ion.

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).

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