L’emballement thermique est l’un des risques les plus redoutés lorsqu’il s’agit de batteries lithium-ion. Pourtant, ce phénomène reste mal compris du grand public alors qu’il est à l’origine d’incendies spectaculaires et parfois tragiques. Mais pourquoi une batterie lithium-ion peut-elle soudainement s’enflammer ou exploser ? Quelles sont les causes sous-jacentes de ce dérèglement brutal et incontrôlable ? Dans cet article, nous revenons sur les principaux facteurs à l’origine de l’emballement thermique, pour mieux comprendre comment il survient et comment l’éviter.
Fonctionnement de base d’une batterie
La batterie a deux modes de fonctionnement: la charge et la décharge.
Décharge
Lors de la décharge, c'est-à-dire lors de l’utilisation:
- Les ions lithium (Li⁺) quittent l’anode (graphite) et se déplacent à travers l’électrolyte vers la cathode.
- Les électrons (e⁻) quittent également l’anode, mais empruntent le circuit externe, générant ainsi de l’électricité.
- À la cathode, les ions lithium et les électrons se recombinent et s’insèrent dans la structure de l’oxyde métallique.
Pour les apprentis chimistes, deux réactions se produisent:
- Une oxydation à l’anode :
LiC₆ → Li⁺ + e⁻ + C₆ - Une réduction à la cathode :
Li₁₋xCoO₂ + xLi⁺ + xe⁻ → LiCoO₂
Recharge
Lors de la charge, c'est-à-dire lors du stockage d’énergie:
- Le courant électrique externe pousse les ions lithium à retourner de la cathode vers l’anode.
- Les électrons suivent aussi ce mouvement via le circuit externe.
Toujours pour les apprentis chimistes, deux réactions se produisent:
- Une oxydation à la cathode :
LiCoO₂ → Li₁₋xCoO₂ + xLi⁺ + xe⁻ - Une réduction à l’anode :
C₆ + xLi⁺ + xe⁻ → LiC₆
En résumé
- Décharge : Anode → Cathode (électrons via circuit, ions via électrolyte)
- Recharge : Cathode → Anode (sous courant électrique externe)
L’emballement thermique
Maintenant que nous avons vu comment est constitué un pack batterie lithium-ion et son fonctionnement simplifié, nous allons pouvoir aborder le sujet de l’emballement thermique:
L’emballement thermique d’une batterie lithium-ion (ou thermal runaway en anglais) est un phénomène dangereux et potentiellement explosif qui se produit lorsque la cellule chauffe de manière incontrôlée jusqu’à sa destruction.
Ce phénomène se déroule en trois phases principales;
Phase initiale
Élément déclencheur
Un emballement thermique n’arrive pas seul, il est toujours déclenché par un événement initial:
- Une surcharge : des appels de courants (moteur par exemple) trop forts qui vont faire chauffer les cellules (le BMS est censé protéger contre ce cas)
- Un court-circuit interne : deux fils peuvent se dessouder et venir en contact l’un avec l’autre et créer un court-circuit (entre V+ et V-)
- Dommage physique suite à un choc : un choc sur une batterie (chute, coup) peut venir écraser ou même perforer une ou des cellules amenant un phénomène d’échauffement
- Température ambiante trop élevée : comme pour la surcharge, en cas de température trop élevée, les cellules vont fonctionner hors de leur spécification ce qui peut amener à des échauffements (le BMS est censé protéger contre ce cas). En cas de stockage à une température excessive, les composants internes peuvent se dégrader. L’électrolyte organique est inflammable. À plus de 60 °C, les réactions chimiques deviennent instables.
- Défaillance du système de gestion de la batterie (BMS) : le Battery Management System peut être défaillant et ne plus protéger la batterie des cas de défaut (charge à température élevée, court-circuit…)
Élévation de température
La deuxième étape du phénomène d’emballement thermique est l'élévation de température.
L’augmentation de la température va provoquer une dissolution de la SEI, c’est à dire que la couche d'interface électrolyte/électrode (SEI) se décompose, exposant l'anode au lithium, déclenchant des réactions exothermiques (les électrolytes sont très inflammables).
Durant cette phase, la température peut passer de 50 à 140 °C.
Phase d'emballement
- Réactions exothermiques (début de l’emballement)
Des réactions chimiques exothermiques s’enchaînent, produisant toujours plus de chaleur : un effet boule de neige se met en place. - Perte de contrôle
Au-delà de ~150–200°C, le séparateur fond, ce qui peut provoquer un contact direct entre les électrodes et donc un court-circuit interne. - Libération de gaz et inflammation
Et enfin, des gaz inflammables (éthylène, méthane, etc.) sont libérés augmentant la pression interne.
La pression peut provoquer l'éclatement de la cellule, libérant des flammes et des gaz chauds pouvant provoquer un incendie ou une explosion en raison de la libération rapide d'énergie.
Durant la phase d'emballement, la température peut monter de 140°C jusqu'à 850°C.
L'emballement thermique peut aussi se propager à d'autres cellules voisines, aggravant les dommages.
Phase terminale
Lors de la phase terminale, la cellule est détruite, libérant une grande quantité d'énergie thermique et chimique. La température peut alors dépasser les 850 °C.
En synthèse
L’emballement thermique d’une batterie lithium-ion est une réaction en chaîne dangereuse causée par un événement déclencheur comme une surcharge, un court-circuit, un choc, une température excessive ou une défaillance du BMS. Il débute par une élévation de température qui dégrade les composants internes, puis des réactions chimiques exothermiques s’emballent, provoquant surchauffe, dégagement de gaz inflammables, voire explosion. La température peut dépasser 850 °C et se propager aux cellules voisines.
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