Les dangers des batteries électriques rechargeables Lithium-Ion

Un développement fulgurant qui devrait encore accélérer les prochaines années 

15,7 millions de smartphones, de 900 000 trottinettes électriques et 660 000 Vélo à assistance Electrique ont été vendus en France en 2021. Le taux de croissance annuel des ventes de véhicules de petite mobilité est de 10% par an (Ministère chargé des transports). En 2021, 3 millions d’individus utilisaient une cigarette électronique, avec une croissance estimée des ventes de 10 % par an).

Chaque année, 270 000 tonnes de piles et de batteries sont mises sur le marché, les accumulateurs ne représentent que 15% du tonnage, mais la quasi-totalité des unités. Entre 2015 et 2021, le nombre de vente de batteries au lithium a doublé pour les batteries portables, passant de 5 500 à 11 000 tonnes.

Cette implantation va encore s’accroître dans les prochaines années d’une part du fait de la généralisation de l’électrification portative pour de plus en plus d’objets du quotidien et, d’autre part du fait de l’ambition de remplacer les moteurs thermiques par des moteurs électriques. Ce dernier point conduisant à la réalisation d’ensembles de batteries de plus en plus imposants pour permettre le déplacement d’engins lourds comme les bus, les camions, les trains, les navires etc.

Le nombre de véhicules électriques en circulation dans le monde devrait passer de 10 millions (2020) à une estimation entre 145 et 230 millions d’unités en 2030. Pour l’Europe, l’estimation en 2030 est autour de 30 millions, dont 4,5 à 8 millions d’unités en France (source : TERA (2021)). En parallèle, le développement des infrastructures support doit s’accélérer, de même que l’adaptation des réseaux. En France, le chiffre de 100 000 bornes de recharge vient à peine d’être dépassé pour un besoin estimé à 7,5 millions en 2030. La recharge se fera principalement en milieu confiné (garages particuliers, parkings souterrains), ce qui pose le problème de ces risques relatifs aux batteries à très grande échelle.

Des besoins de stockage d'énergie à grande échelle

Les énergies renouvelables deviennent progressivement une alternative crédible à la production issue de sources carbonées. Mais ces énergies sont grandement influencées par des conditions météorologiques non maitrisables, ce qui rend leur production intermittente et pose des problèmes aux utilisateurs et gestionnaires de réseau pour assurer sa stabilité. Pour lisser la production, il est de plus envisagé de mettre en place des unités de stockage électrochimique de l’énergie à travers des batteries souvent de taille importante et stockées dans des bâtiments.

Les caractéristiques techniques des batteries Li-ion ont conduit à un quasi monopole planétaire de cette technologie. Cette technologie est reconnue comme la plus performante sur le marché actuel car elle présente des avantages indéniables : densité d’énergie élevée, généralement plus du double de celle des batteries standards, absence d'effet mémoire, autodécharge relativement faible, durée de vie importante, faibles entretien, poids et encombrement.

Des risques d'emballement thermique et d'explosion

En fonction de la puissance requise, les batteries comportent plusieurs éléments unitaires (cellules), jusqu’à plusieurs milliers. Les accumulateurs Li-ion utilisés au-delà de leurs conditions normales d’opération, sont sujets au phénomène dit d’emballement thermique. Ce mécanisme est activé lorsque les composants chimiques internes (électro chimiquement actifs et l’électrolyte) sont soumis à des températures suffisantes pour activer des mécanismes de dégradations chimiques exothermiques qui peut se manifester sous différentes formes : simple dégazage, dispersion de gaz toxiques, feu ou explosion, avec ou sans projection de matière. Il est à noter que, selon les sous-technologies utilisées au sein de la grande famille des batterie Li-ion, les conditions de déclenchement, les chaleurs dégagées, les vitesses de propagation, les types d’explosions diffèrent. La manière dont les cellules sont associées dans des modules a également son importance dans la dangerosité de la batterie. Ces accidents peuvent également être le prolongement de chocs subis par les batteries ayant entraîné la dégradation de certains composants.

On distingue quatre phases distinctes dans le processus de l’emballement thermique. Durant la première phase, la tension augmente graduellement, la vitesse d’autoéchauffement est faible. Dans la seconde phase, la batterie entre dans un mode exothermique et la tension chute brutalement. Une réaction chimique se met en place entre l’anode et l’électrolyte avec une décomposition de la cathode, l’énergie ainsi libérée contribue à une légère augmentation de la température. À la troisième phase, la composition des électrodes a changé et le processus de réaction commence à s’accélérer avec une augmentation de la température conduisant à une génération et une accumulation de gaz et donc une augmentation de la pression interne. L’évent de sécurité de la batterie peut alors s’ouvrir ou bien la batterie peut se rompre. Cette première explosion est qualifiée d’explosion physique. La pression chute, les gaz sont éjectés et se mélangent avec l'air. Lorsque la concentration atteint les limites d'explosivité, les gaz inflammables explosent par la présence de flammes ou d’étincelles. Cette deuxième explosion est qualifiée cette fois d'explosion chimique. Il y a transition du régime de déflagration en détonation dans des conditions de surcharge.

Pour éviter que la batterie ne soit exposée à des conditions critiques, elle dispose d’un système électronique de gestion et la batterie doit être conçue pour empêcher la propagation de l’emballement thermique d’une cellule au reste de la batterie.

Il reste évidemment encore de nombreuses pistes pour réduire les risques d'emballement thermique des batteries Li-ion et limiter leur impact environnemental. On peut en citer au moins quatre :

1. le développement de nouveaux matériaux permettant la non-propagation de l'emballement thermique plus légers et moins coûteux ;
2. l’assemblage électrique non définitif des accumulateurs au sein d'un pack batterie, sachant qu'un assemblage en série/parallèle d'accumulateurs délivrant des courants importants est intrinsèquement incompatible avec la notion de "démontablilité" des accumulateurs ;
3. la charge rapide des batteries, d'une part parce que le temps de charge élevé reste un frein psychologique pour les acheteurs potentiels de véhicule électrique, et d'autre part parce que réduire drastiquement du temps de charge permet de limiter la capacité embarquée de la batterie, donc aussi sa masse, son coût et son impact environnemental global du puit à la roue ;
4. 4. l’estimation systématique et à moindre coût de l'état de santé des batteries. En effet, la mobilité électrique nécessite d'avoir recours à des accumulateurs de très forte densité énergétique, et on considère classiquement qu'une batterie ayant perdu plus de 20% de sa capacité initiale arrive en fin de première vie. Par ailleurs, un raisonnement très simple montre que la capacité totale d'une batterie est limitée par l'accumulateur connecté en série ayant la capacité la plus faible. La conséquence est que de nombreuses batteries arrivent en fin de première vie alors qu'une part importante de leurs accumulateurs ont finalement très peu vieilli et pourraient donc même continuer à être utilisés pour le stockage de véhicule électrique. De même, il est extrêmement important d'identifier le ou les quelques éléments ayant été les plus stressés pendant la première vie de la batterie pour éviter qu'ils ne soient à l'origine d'évènement dramatique lors de leur réutilisation en seconde vie.

Des accidents de plus en plus nombreux et de plus en plus graves

Cependant, malgré les avancées notables dans ce domaine, les accumulateurs Li-ion ont été à l’origine d’un certain nombre d’incidents, plus ou moins dramatiques, relayés par les médias : feux de bus à Paris en avril 2022, feux de moyens de mobilité légers (trottinettes, vélos) et enfin, feux de voitures électriques. En janvier 2023, c’est l’incendie d’une usine de fabrication de batteries Li-ion du groupe Bolloré qui a marqué l’actualité. Au plan international, il est d’ores et déjà possible de caractériser une croissance de l’accidentologie, en lien avec l’augmentation des usages de batteries. Aux Etats-Unis, la ville de New York a notamment pu recenser 216 incendies relatifs aux batteries en 2022 contre 28 en 2019. Au Canada, à Vancouver, les incendies liés aux batteries ont été multipliés par cinq depuis 2016.

Pour les particuliers, les risques liés aux batteries ne sont généralement pas identifiés et donc, aucune précaution particulière n’est prise. Pour autant, la défaillance d’une batterie suivie de sa potentielle mise à feu peut avoir des conséquences dramatiques, lors de la charge, ou pendant son usage. Les dangers des électrolytes liquides pour la sécurité des usagers sont désormais bien documentés. Mise à part la possibilité de fuite ou de contact chimique, l’électrolyte est souvent composé d’un solvant (un carbonate organique comportant un risque d’inflammabilité) et d’un sel conducteur, par exemple l’hexafluorophosphate de lithium (LiPF6, toxique en cas d’ingestion) qui provoque des lésions graves de la peau et des yeux en cas de contact cutané ou oculaire et peut être à l’origine de l’émission de fluorure d’hydrogène (HF), gaz également toxique.

Plusieurs études recensent des accidents avec de très graves blessures sur les individus et rapportent des brûlures sur les différentes parties du corps et des inhalations d’acides. A Montréal, en juillet 2019, suite à l’explosion d’une batterie de voiture garée dans le garage d’une maison, la porte du garage a été propulsée dans la rue et un trou a été créé dans le toit du garage. En octobre 2019, un car-ferry hybride en Norvège a pris feu. Le système de refroidissement des batteries est supposé être à l'origine de l'incendie. Après l'extinction de l'incendie, une explosion s'est produite dans le local du standard à côté du local batteries. L'explosion s'est produite en raison de l'accumulation des gaz inflammables évacués par la batterie endommagée

Les interventions des équipes de secours en cas d’incendie, qu’il soit provoqué ou pas par des batteries, sont rendues plus complexes et plus dangereuses par le fait d’absence de signalisation des batteries, par le processus d’emballement thermique, par le dégagement de substances toxiques, par la présence importante du risque électrique.

Appel à projet 2023

Au regard de ce contexte et des évolutions probables, la Fondation MAIF a pour objectif d’accompagner la recherche et le développement pour :

• qualifier et mesurer les risques en termes de conditions de survenance, gravité des sinistres ;
• améliorer la sécurité passive des batteries : électrolytes, assemblage, détection des défauts, alarmes, procédés de mise hors tension, dispositif de refroidissement ou d’extinction, etc.
• améliorer les programmes d’information et de prévention pour une meilleure sensibilisation des personnes à ces risques, associée à des stratégies de protection.