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Pourquoi les batteries lithium ion explosent et comment l'éviter ?

Manuel Moragues , ,

Publié le

Les explications de Samsung sur les déboires de son Galaxy Note 7 ne changent rien au coeur du problème : les batteries lithium-ion qui animent nos milliards de terminaux mobiles sont intrinsèquement instables. Est-il possible de changer la donne ?

Pourquoi les batteries lithium ion explosent et comment l'éviter ?
Le fiasco du Galaxy Note 7 de Samsung a de nouveau pointé les failles des batteries li-ion. /REUTERS/Kim Hong-Ji
© KIM HONG-JI

La transparence est louable. Mais les explications détaillées de Samsung, rendues publiques lundi 23 janvier, sur les défauts dans ses batteries ayant conduit à l'accident industriel du Galaxy Note 7 ne changent rien au coeur du problème : les batteries lithium-ion qui animent les milliards de terminaux mobiles sont intrinsèquement instables. Le Note 7 s'ajoute, après les Model S de Tesla et le Boeing 787, aux accidents de batteries les plus médiatisés depuis le rappel de plusieurs millions d'ordinateurs équipés de batteries Sony en 2006.

Ces cas spectaculaires ne doivent pas masquer la longue litanie d'incidents liés aux batteries lithium-ion qui, s'ils ne blessent souvent personne, donnent lieu à des rappels de produits. Un coup d'oeil sur le site de la Consumer Product Safety Commission suffit à s'en convaincre : janvier 2017, rappel de 100000 PC portables et packs batteries par Toshiba. Septembre 2016 : rappel de 3500 packs batteries par Denon. Juin 2016 : 50000 PC portables et packs batteries par HP. Mars 2016 : encore 100 000 PC portables et packs batteries rappelés par Toshiba…

Ironie de l'histoire, les technologies lithium-ion ont été developpées pour exploiter le potentiel énergétique du lithium de façon plus sûre. Les premières batteries au lithium utilisaient ce métal sous forme solide. Problème : des excroissances (dendrites) poussaient à la surface du l'électrode de lithium jusqu'à atteindre l'autre électrode de la batterie. Court-circuit. Libération brutale de l'énergie emmagasinée. Utiliser le lithium sous forme d'ions s'intercalant au sein d'électrodes constituées d'autres matériaux a été l'idée géniale et fondatrice de la grande famille du lithium-ion.

"Batterie vivante"

A la clé : le stockage, aujourd'hui, de 2 à 3 fois plus d'énergie pour un même poids que les autres technologies de batteries. Revers de la médaille : l'électrolyte. Ce liquide qui baigne l'espace inter-électrodes est un solvant organique contenant des sels de lithium au fluor ou au chlore. Hautement inflammable et toxique, il a surtout l'inconvénient d'être instable. Qu'un échauffement le porte au delà de 100°C et voilà qu'y démarre une cascade de réactions chimiques dégageant de la chaleur, accélérant ainsi le phénomène. Qui a un nom : emballement thermique. Soit, vu de l'extérieur : un violent incendie avec émissions de gaz toxiques.

C'est la vulnérabilité intrinsèque du lithium-ion : un échauffement, même très localisé, peut conduire à un embrasement généralisé. Cet échauffement vient le plus souvent d'un court-circuit. Les fabricants de batteries doivent donc être extèmement rigoureux dans leur process pour éviter le moindre défaut qui, comme dans le cas du Note 7, peut générer de tels court-circuits. Mais pas seulement : comme le disent poétiquement les fabricants, "une batterie est vivante". Elle évolue avec les charges et décharges, des dendrites peuvent pousser sur les électrodes, notamment en cas de surcharge.

"Le Li-ion restera indétrônable"

Il faut surveiller de près chaque cellule de la batterie : tension électrique, charge, température… Le système de gestion de la batterie, ou BMS, pour Battery Management System, veille au confort de chaque cellule et coupe le courant à la moindre anomalie. Mais face à l'emballement thermique, il est trop souvent pris de vitesse. Et avec des milliards de batteries produites, même les meilleurs niveaux de qualité ne peuvent empêcher que des batteries défectueuses sortent des usines.

Faut-il tirer un trait sur le lithium-ion ? Exclu, si l'on veut garder nos joujoux high-tech et rouler électrique. Car il n'y a pas aujourd'hui de concurrent qui rivalise avec le lithium-ion en termes de capacité de stockage d'énergie. Et ses éventuels successeurs, le lithium-air et le lithium-soufre, ne sont pas prêts de lui faire de l'ombre, selon Jean-Marie Tarascon, professeur au Collège de France et directeur du réseau de recherches sur les batteries RS2E : "Le lithium-ion restera indétrônable tant en densité d’énergie que de maîtrise du système".

Batterie tout solide ou retardateur de flamme intégré

Chercheurs et industriels semblent donc condamnés à trouver comment rendre le lithium ion intrinsèquement sûr. La voie royale consiste à remplacer l'électrolyte liquide par un matériau solide. De nombreux laboratoires et industriels y travaillent, dont deux start-up prometteuses, issues de labos américains: Sakti3, rachetée par Dyson en octobre 2015, et Seeo, acquise par Bosch en août 2015.

D'un autre côté, des chercheurs californiens ont publié la semaine dernière dans Science Advances des travaux qui ouvrent une voie originale pour intégrer la sécurité au cœur de la chimie du lithium-ion. Ils ont introduit dans la batterie un retardateur de flammes, le triphenyl phosphate (TFP). Mais plutôt que de l'ajouter à l'électrolyte, ce qui diminue les performances électrochimiques de la batterie, ils l'ont intégré au séparateur, cette membrane microporeuse qui sépare les deux électrodes.

Plus précisément, les chercheurs ont fabriqué, par un procédé d'électrofilage, un séparateur constitué de microfibres de polymère renfermant en leur coeur le TFP. Ainsi encapsulé, le TFP ne gêne pas le bon fonctionnement de la batterie. Mais si l'incendie se déclare, le polymère fond (à partir de 160°C) et libère le TFP, qui éteint immédiatement les flammes. Samsung sera peut-être intéressé.

 

L'outsider Bolloré
La technologie lithium métal polymère de BlueSolutions (Bolloré) est la seule autre technologie commerciale à base de lithium. Revenant à l'électrode métallique de lithium des débuts, le groupe français avait réussi à résoudre le problème des dendrites en remplaçant l'électrolyte liquide par des films ultraminces en polymère, dont il tire la maîtrise de son savoir-faire ancestral dans les feuilles de papier à rouler OCB. Le groupe revendique une sécurité intrinsèque pour ses batteries et ses performances énergétiques s'approchent plus ou moins du lithium ion. Mais sa technologie a un gros hic : elle ne fonctionne qu'au dessus de 60 à 80°C. Un peu chaud pour un smartphone… Et gênant pour son autonomie puisque la batterie doit être chauffée quand elle est inutilisée.

 

 

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1 commentaire

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25/01/2017 - 08h53 -

Article faisant peu de cas des batteries Li FePo, au phosphate de fer donc, très rependues et naturellement très stables. Un peu moins performantes il est vrai que les Li ion.
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