L'utilisation des batteries de véhicules électriques lithium-ion comportent des risques importants, en particulier lorsqu'elles sont soumises à des conditions d'utilisation abusives et à mesure qu'elles vieillissent.

En fonctionnement normal, lorsque la batterie lithium-ion est intacte, les risques chimiques sont quasi-inexistants. La conception étanche des batteries lithium-ion empêche tout contact avec l'électrolyte, un composant interne corrosif et inflammable.

Lorsqu'elle est soumise à des conditions d'utilisation extrêmes, la batterie lithium-ion devient instable ce qui peut entraîner une dégradation accélérée de ces composants et augmente les risques de surchauffe, de fuites chimiques, et dans les cas les plus graves, d'incendie ou d'explosion.

Pour garantir un fonctionnement optimal et sûr, il est crucial de respecter les limites de fonctionnement définies. Les limites concernent notamment la tension, le courant et la plage de température autorisée. Le non-respect de ces consignes peut altérer les performances de la batterie lithium-ion, accélérer son vieillissement et, dans les cas extrêmes, engendrer des problèmes de sécurité. La surcharge, en particulier, est à proscrire absolument.

Pour minimiser les risques liés aux batteries lithium-ion, un système de gestion de batterie (BMS) surveille en permanence des paramètres clés tels que la tension, le courant, la température et l'état de charge de la batterie. Le système de gestion de batterie (BMS) joue un rôle crucial dans la prévention des incidents en déclenchant des actions correctives en cas de détection d'anomalies.

Pour une sécurité renforcée, un système de gestion de batterie (BMS) est doté de plusieurs niveaux de surveillance redondants.

L'emballement thermique représente le risque le plus redouté lors de l'exploitation des batteries lithium-ion. Cette réaction exothermique incontrôlée peut générer une chaleur intense, des fumées toxiques, des incendies voire des explosions.

Différents facteurs peuvent être à l'origine d'un emballement thermique comme :

- Les défauts internes (conception des cellules: matériaux, qualité de fabrication, sécurité interne) ;
- Les abus mécaniques (peu probable en stationnaire) ;
- Les températures excessives (canicule, feu externe) ;
- L'abus électrique (court-circuit, surcharge).

La pente initiale de la réaction d'une batterie lithium-ion lors d'un incident dépend de trois facteurs principaux :

- Le type d'agression : la nature de l'agression subie par la batterie, comme un court- circuit, une surchauffe ou une perforation, influence directement la rapidité et l'intensité de la réaction ;
- L'état de la batterie avant l'événement : l'état de santé de la batterie avant l'agression joue un rôle important. Une batterie neuve et en bon état aura tendance à réagir différemment d'une batterie usée ou dégradée. Le niveau de charge (SOC) et l'état de santé (SOH) de la batterie sont des indicateurs clés à prendre en compte ;
- L'intensité de la défaillance : plus l'agression est intense, plus la réaction sera rapide et violente. Un court-circuit de forte intensité peut déclencher une réaction explosive, tandis qu'un court-circuit de faible intensité peut entraîner une réaction lente et progressive.

La compréhension du comportement des batteries face à divers incidents internes et agressions extérieures est cruciale pour permettre de prolonger la vie des batteries en toute sécurité. C'est pourquoi les centres de recherche mènent de nombreux tests pour évaluer la réaction des batteries à ces sollicitations (ex. surcharge, court-circuit, surchauffe, test au clou, etc.

Une tendance se dessine quant aux comportements des batteries, mais le nombre encore assez limité de batteries disponibles pour les tests et les caractéristiques uniques de chaque batterie rendent quasi impossible la réalisation d'essais destructifs standardisés. Il existe néanmoins des normes pour les tests de sécurité. En particulier, toute batterie Li-ion doit avoir passé avec succès les tests UN 38.3 pour pouvoir être transportée et donc commercialisée.

Le vieillissement des batteries lithium-ion est un phénomène naturel, accentué par certains facteurs, qui affecte les performances et la sécurité des batteries.

L'état de santé (SOH) d'une batterie permet d'évaluer son état de capacité restante, il ne reflète pas fidèlement le niveau de risque. Deux batteries avec un SOH identique peuvent présenter des réactions très différentes en cas d'incident.

Une batterie vieillie peut avoir une réactivité moindre qu'une batterie neuve, car elle contient moins d'énergie et ses cellules sont plus résistantes. À l'inverse, une autre batterie vieillie peut présenter une réactivité plus élevée en raison d'une fragilisation interne. Cette fragilisation peut être causée par divers facteurs, tels que la formation de dendrites, la dégradation de l'électrolyte ou la corrosion des électrodes. La connaissance du SOH ne permet pas de conclure sur le niveau de sécurité, amélioré ou dégradé, d'une batterie vieillie.

Le vieillissement rend les batteries lithium-ion plus sensibles aux événements anormaux, quand bien même celui-ci a un impact minime sur leur SOH. Un choc mécanique peut causer des dommages internes et augmenter le risque de court-circuit. Une surcharge, même limitée, peut fortement détériorer la stabilité thermique de la batterie, la rendant plus susceptible de s'emballer thermiquement en cas de défaillance.

Les conditions de fonctionnement durant la première vie d'une batterie lithium-ion influencent son vieillissement et, par conséquent, sa sécurité ultérieure. Des cycles de charge/décharge profonds ou à des températures extrêmes accélèrent le vieillissement.

Les différents types de dégradations internes qui surviennent dans une batterie lithium-ion vieillie n'ont pas tous le même impact sur sa sécurité. La perte de capacité est généralement moins préoccupante que la formation de dendrites ou la dégradation de l'électrolyte. Les dendrites, ces excroissances dendritiques qui se forment sur l'électrode négative, peuvent percer le séparateur et provoquer un court-circuit interne, tandis que la dégradation de l'électrolyte peut entraîner une augmentation de la résistance interne et une diminution de la stabilité thermique.

Source : « Vies de la batterie du véhicule électrique » de L'Avere-France, l'association nationale pour le développement de la mobilité électrique, le Club Stockage d'énergies de l'ATEE, l'Association Technique Energie Environnement, et Wavestone