Sûreté de fonctionnement, un atout essentiel pour les batteries lithium-ion

Les batteries dites « lithium-ion » sont désormais omniprésentes dans notre quotidien technologique, elles se retrouvent aussi bien dans les smartphones, les outils électroportatifs que dans les véhicules électriques. Elles peuvent donc être de faible comme une forte capacité énergétique pour répondre au besoin. La course au stockage de l’énergie ne fait que poursuivre sa quête depuis la découverte de l’électricité.

C’est pourquoi les industriels ne cessent d’approfondir leur recherche et de développer des batteries capables d’emmagasiner davantage d’énergie.

Le principe des batteries et des piles est lié à un processus chimique permettant de transformer l’énergie chimique en énergie électrique. Une batterie stocke et accumule donc de l’énergie électrique pour la délivrer en temps voulu. Elle peut donc se charger ou se décharger cycliquement, en fonction de sa durée de vie, contrairement aux piles fournissant de l’électricité jusqu’à l’épuisement.

Chaque batterie est composée d’un ensemble d’électrodes positives et négatives, plongé dans un « bain » d’électrolyte.

Pour les batteries au plomb la cathode est en plomb et l’anode est en oxyde de plomb, le tout étant immergé dans l’électrolyte constitué d’acide sulfurique et d’eau. Le couple de matériaux est choisi pour faciliter l’échange des électrons et de ions positifs le plus durablement possible.

Pour les batteries lithium, la cathode est souvent en oxyde de cobalt et lithium, tandis que l’anode est réalisée en graphite. Le lithium est un métal très léger comme l’indique sa position dans la table de Mendeleïev. L’atome Lithium a la particularité de libérer facilement ses électrons et donc de créer des ions Li+. La solution permettant le phénomène chimique d’électrolyse est souvent une concentration de sel lithium et de solvant.

Les batteries lithium ion ont la particularité d’avoir une forte densité énergétique permettant d’emmagasiner 3 à 5 fois plus d’énergie suivant le type de chimie interne. Les cycles de charges sont nombreux et les temps de recharges sont réduits expliquant que nous retrouvons cette technologie Li-ion massivement dans notre quotidien.

Cependant les batteries Lithium-ion ont aussi leurs lots d’inconvénients, leur sensibilité aux chocs et aux charges provoquent assez facilement une réaction exothermique « un emballement thermique » soudain et dégageant des gaz toxiques. Cet emballement thermique génère principalement des incendies difficilement contrôlables et des surpressions internes amenant des explosions.

Pour les batteries constituées de plusieurs éléments, le risque étant une extension du sinistre aux autres cellules et donc un accroissement de l’incendie.

En 2018, un véhicule électrique s’était embrasé en Autriche en entrant en collision contre un rail de sécurité. Contrairement aux véhicules traditionnels, les incendies issus des voitures électriques sont plus difficiles à gérer en raison de leur batterie en lithium-ion.

Pour éteindre le feu, 35 pompiers ont dû intervenir sur les lieux de l’accident. Du fait de l’instabilité des batteries lithium-ion et à leur sensibilité aux éléments extérieurs, la gestion de l’incendie a été particulièrement difficile.

Le résultat de l’enquête démontrera que l’origine du sinistre était dû à un court-circuit provoqué par le choc de la batterie, engendrant l’échauffement de celle-ci.

Afin de palier à l’instabilité des batteries, l’intégration d’un système électronique (le BMS, Battery Management System) permet désormais de couper le système à l’apparition d’une anomalie.

Cependant l’important est bien de réaliser une étude de sureté, permettant ainsi d’identifier les risques associés à l’utilisation du produit. C’est pourquoi une analyse préliminaire des risques doit être réalisée, suivant le cycle de vie du produit, afin d’aboutir à la conception d’une batterie Li-ion adaptée et identifier des essais associés pour validation.

La démarche adoptée pour l’analyse préliminaire des risques repose sur l’identification des risques internes (liés au système batterie) et des risques externes (provenant de l’environnement) à toutes les étapes du cycle de vie de la batterie.

Par la suite, l’évaluation de ces risques doit être réalisée en fonction des normes en vigueur et en lien avec la table de criticité (probabilité, gravité de l’évènement).

Pour maitriser les risques existants, des moyens de mitigation doivent être identifiés. Le processus d’itération dans l’évaluation des risques reste important tout au long du cycle de vie du produit.

À partir de cette analyse, la phase de validation par des tests unitaires et des scénarios accidentels les plus redoutés sont définis pour consolider les anomalies comme, par exemple, la défaillance d’une cellule, du BMS ou du circuit de charge, la défaillance du système de régulation en température, la déformation mécanique, l’exposition du module à une basse T° ou une haute T°, etc…

La sûreté de fonctionnement a toute sa place dans l’optimisation du fonctionnement des systèmes et processus de production essentiels pour répondre aux exigences imposées par le projet ainsi qu’aux directives et réglementations.

Dans ce contexte, la mise en place d’une démarche de sûreté de fonctionnement permet de maîtriser la sécurité des produits, de valider la conformité des systèmes aux exigences réglementaires et aux spécifications des cahiers des charges et d’initier la politique du soutien logistique intégré. Mais ça c’est une autre histoire…