Pourquoi certaines batteries électriques résistent mieux à l’emballement thermique ?

L’essor des véhicules électriques, du stockage stationnaire et des appareils électroniques portables a mis en lumière un risque particulièrement surveillé : l’emballement thermique des batteries. Ce phénomène, relativement rare au regard des millions de cellules en circulation, n’en reste pas moins spectaculaire lorsqu’il se produit. Il se caractérise par une élévation incontrôlée de la température, susceptible d’entraîner un incendie, voire une explosion, et de représenter un danger pour les personnes et les infrastructures environnantes. Comment ce processus se déclenche-t-il réellement, et en quoi varie-t-il selon les technologies de batteries utilisées ?

Au cœur de la plupart des batteries modernes se trouvent des cellules électrochimiques qui stockent l’énergie sous la forme chimique. Une cellule lithium-ion typique est constituée d’une anode, généralement fabriquée à partir de graphite, d’une cathode dont la composition varie selon la technologie, d’un électrolyte liquide inflammable et d’un séparateur poreux qui empêche le contact direct entre l’anode et la cathode. C’est précisément la défaillance de ce séparateur qui initie souvent l’emballement thermique, car lorsqu’il se décompose, le contact direct des électrodes provoque un court-circuit interne et une production de chaleur.

Ce premier réchauffement peut rester localisé. Mais si la température dépasse certains seuils, plusieurs réactions chimiques exothermiques s’enchaînent. Une publication parue dans la revue Processes précise que le film protecteur à la surface de l’électrode négative se décompose lorsque la température devient supérieure à 80 °C, libérant des gaz et de la chaleur. Ensuite, l’électrolyte commence à se dégrader, tandis que la cathode se décompose à des températures plus élevées, libérant parfois de l’oxygène qui alimente la combustion. À ce stade, la réaction s’auto-entretient et accélère plus vite que la capacité de dissipation de chaleur du système, et conduit à l’emballement thermique.

Le type de chimie de la batterie influence fortement la façon dont se produit ce phénomène. Par exemple, les batteries à base de lithium-fer-phosphate (LFP) ont une structure cristalline dite olivine beaucoup plus stable thermiquement que les cathodes à base de nickel, manganèse et cobalt (NMC) ou à base de nickel-cobalt-aluminium (NCA). Dans des essais thermiques, les cellules LFP présentent des températures d’initiation de la réaction bien plus élevées et des taux d’auto-chauffement plus faibles que leurs homologues NMC ou NCA.

Cette stabilité accrue s’explique en partie par la faible libération d’oxygène lors de la décomposition de la cathode LFP, ce qui réduit la combustion interne et la propagation de la réaction. En revanche, les cathodes à structure en couches comme celles de type NMC ou NCA libèrent de grandes quantités d’oxygène lorsqu’elles se décomposent, favorisant une combustion plus intense et une propagation plus rapide de l’emballement thermique.

Des seuils d’emballement plus élevés pour les batteries sodium-ion

D’après une étude parue dans Journal of Energy Storage, les batteries de type sodium-ion présentent une plus faible propension à l’emballement thermique que celles de type lithium-ion, car leurs températures de déclenchement de réactions auto-entretenues ont tendance à être plus élevées. Des essais ont d’ailleurs montré une production de gaz et de fumée ainsi qu’une escalade thermique généralement plus faible de ces batteries, qui sont donc considérées comme ayant un profil de sécurité amélioré dans des scénarios d’utilisation intense ou défaillante.

Au-delà des technologies utilisées dans ces batteries, l’emballement thermique est considéré comme un problème d’ingénierie globale conditionné par un grand nombre de paramètres. Il dépend notamment de la façon dont les cellules sont assemblées, du système de gestion thermique et de surveillance de la batterie, du type de refroidissement, ainsi que des systèmes de sécurité intégrés qui peuvent isoler ou couper des cellules défaillantes avant qu’une réaction en chaîne ne se propage.