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Les batteries au lithium sont-elles dangereuses ?

Les batteries au lithium sont plus écologiques que celles constituées de métaux lourds (cadmium, plomb…) mais elles possèdent également des propriétés plus intéressantes.

Quels sont les différents types de batteries au lithium ? Pourquoi en utiliser une plutôt qu’une autre ? Quels est le risque réel d’explosion des batteries lithium ?

 

Des batteries aux caractéristiques différentes

À partir des années 90, la mise au point des batteries au lithium a permis de substituer la plupart des anciennes batteries au plomb ou au cadmium. Là où il faudrait une batterie au plomb de 5 kg pour alimenter un appareil, il ne suffirait que d’une batterie au lithium d’1 kg pour des performances équivalentes. Ce fut un grand pas pour l’avancée énergétique du secteur des produits high tech et du bâtiment. Deux batteries au lithium qui ont le même aspect n’ont pas forcément la même composition, leur donnant des propriétés différentes. Ainsi plusieurs paramètres pourraient varier : le poids, le volume, la capacité de stockage d’énergie, la durée de vie (le nombre de cycle charge/décharge que peut faire la batterie avant d’être inutilisable et la corrosion interne de la batterie qui la rend moins efficace au fil du temps) et enfin l’auto-décharge (de 5 % à plus de 20 % par mois pour certaines batteries au lithium). Toutes les batteries (quel que soit leur type) se comportent différemment face aux vitesses de charge et de décharge. Leur efficacité est altérée si le courant qu’on lui demande de fournir augmente. Ce phénomène est appelé effet « Peukert ».

Batterie de smartphone ayant subit un choc ou une surcharge
Batterie de smartphone ayant subit un choc ou une surcharge

Le lithium classé marchandise dangereuse ? Selon leur type et seulement dans le cas où les batteries au lithium sont surchargées ou soumises aux chocs, elles peuvent devenir dangereuses avec un risque d’explosion que nous détaillerons ci-après par type de batterie lithium-ion. En revanche, leurs performances sont très intéressantes : légèreté, densité d’énergie stockée et enfin comme le souligne Mr François Duchateau, PDG de SLAT, « Contrairement aux technologies Nickel-Cadmium et Nickel-hydrure-métallique, les accumulateurs au lithium sont peu sensibles à l’effet mémoire. Un avantage pour l’utilisateur qui peut recharger sa batterie quel que soit son niveau de charge sans altérer sa capacité. »

Cocorico : Nous avons des acteurs industriels en France dans ce domaine notamment SLAT et SAFT.

 

À chaque usage son type de batterie lithium-ion

Les fonctions principales du BMS (INES)
Les fonctions principales du BMS (INES)

Lithium-Cobalt (LiCoO2) : Ce type de batterie détient la plus forte densité énergétique que l’on puisse trouver sur le marché par rapport aux différentes technologies lithium. C’est celle que l’on retrouve dans nos appareils multimédia (smartphones, ordinateurs, caméras…) et dans les systèmes embarqués. Elle offre une grande autonomie avec un petit volume et permettant ainsi aux smartphones être si fins. Leur problème majeur est la sécurité. On a dénombré plusieurs accidents liés à la surcharge des batteries, pourtant équipées de système de sécurité permettant de palier à ce problème. La température et la tension du système sont ainsi mieux contrôlées ce qui permet au BMS (Battery Monitoring System) de déconnecter l’alimentation en cas d’état anormal. Les BMS sont présents dans tous les appareils dotés d’une technologie au lithium. Il est également nécessaire d’assurer la protection mécanique de la batterie afin d’amortir les chocs qui peuvent aussi être à l’origine de surchauffe. L’emballement thermique peut conduire, à terme, à l’explosion ou l’inflammation des batteries. Par exemple, il a fallu 2 incendies d’avion (heureusement sans pertes humaines) pour que Boeing reconçoive le BMS qui gère l’équilibrage des éléments des batteries qui composent leurs avions.

 

Lithium-Cobalt-Aluminium (LiCoAl) : Très proche des Lithium-Cobalt en termes de performance, les batteries LiCoAl se différencient par leur faible impédance interne. L’impédance peut être considérée comme une résistance variable. Cela signifie que, quel que soit la puissance demandée par l’appareil, la batterie Lithium-Cobalt-Aluminium s’opposera très faiblement au passage du courant. « C’est pourquoi on les retrouve dans les voitures sportives de la marque Tesla qui requiert une grande puissance de décharge pour les démarrages et les accélérations » indique Mr François Duchateau. Ce type de batterie ne souffre donc que peu de l’effet « Peukert » et ne sera que très faiblement détériorée par les fortes décharges. De la même façon, les batteries LiCoAl ont la faculté de pouvoir se recharger rapidement avec des courants importants sans pour autant se dégrader plus rapidement.

 

Lithium-Manganèse-Cobalt (LiMnCo) : On les retrouve dans le secteur de l’automobile. General Motors a choisi de concevoir l’alimentation du moteur de ses véhicules électriques avec ce type de batterie car elles ont l’avantage de posséder une grande durée de vie. On note que leur stabilité est plus grande que pour la technologie LiCoAl ce qui permet au moteur d’avoir un régime plus homogène. En revanche, la densité énergétique est un peu plus faible, ce qui implique qu’à capacités égales, le volume des batteries sera plus important que pour celui des voitures Tesla. Elles possèdent tout de même des défauts notoires tels que leur faible résistance aux températures supérieures à 50°C et une sensibilité à la surcharge (comme c’est le cas pour les batteries lithum-cobalt). Un système BMS de qualité est donc indispensable pour la pérennité de cette batterie. On les retrouve souvent dans les vélos électriques du fait qu’elles soient assez résistantes aux chocs.

 

Lithium-métal-polymère (LMP) : La Bluecar (celle que l’on retrouve dans le réseau d’auto-partage parisien Autolib) est équipée quant à elle d’une batterie LMP. Elle ne présente pas de risque d’explosion mais possède un rapport capacité/poids relativement modeste de 110 Wh/kg. Ce qui reste quand même près de trois fois supérieur à la batterie au plomb (≈ 40 Wh/kg).C’est une batterie “chaude” qui nécessite une température de 80°C pour fonctionner. Pour cela elle puise dans ses propres ressources afin d’âtre maintenu à haute température et donc se décharge d’autant plus vite.

 

Lithium-Fer-Phosphate (LiFePO4) : Bien que sa capacité soit inférieure à celle des lithium-cobalt (120Wh/kg contre 200 Wh/kg), cette technologie est très stable ce qui réduit considérablement les risques d’incendies ou d’explosion liés à la surcharge. Couplée à un BMS de qualité, c’est la batterie au lithium ayant la durée de vie la plus grande. Elle possède également l’avantage d’avoir un nombre de cycle de charge/décharge important (environ 3000 contre quelques centaines en moyenne). Les températures extrêmes ne lui font pas peur car elle fonctionne normalement entre 0 et 60°C ce qui rend son utilisation possible dans de nombreux domaines. Enfin, elle présente une caractéristique qui lui est propre : elle a en quelque sorte un effet mémoire inversé. C’est-à-dire que plus le nombre de cycle charge/décharge sera important, moins la décharge de la batterie sera grande. Cela la rend insensible au microcyclage (microcyclage : cycle très court de charge/décharge). On retrouve souvent ce type de batterie dans la robotique, le stockage des énergies renouvelables et les scooters électriques.

1ere station à Bastia – étape du maillage de l’île de Beauté avec des ombrières solaire (CorsicaSole)
1ere station à Bastia – étape du maillage de l’île de Beauté avec des ombrières solaire (CorsicaSole)

 

L’avancée technologique a permis de repousser toujours plus loin les limites de capacité des batteries au lithium. « Les restrictions appliquées au transport des batteries Li-ion en général pourraient pénaliser leur développement. Or, ces restrictions sont injustifiées pour certaines technologies telle la lithium-fer-phosphate qui ne présente pas de danger mais des caractéristiques enviables pour la transition énergétique du bâtiment et de l’industrie » souligne François Duchateau, PDG de SLAT. Ajoutons que le lithium est une ressource non renouvelable et sa demande mondiale ne cesse d’augmenter. Il est donc nécessaire de penser dès maintenant au recyclage de ce métal pour garantir la pérennité des énergies au lithium (nous y reviendrons lors d’un prochain article).

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