Administrations et collectivités territoriales / Assurance / BTP / BUP / ERP/IGH / Incendie/explosion / Industrie/ICPE / Sécurité civile et forces de l'ordre
Batteries : avantages et risques du lithium-ion
Forte densité d’énergie embarquée, longévité accrue et coûts en baisse, les avantages des batteries de la famille lithium-ion ne manquent pas. Supplantant progressivement l’ancienne génération des accumulateurs au plomb, les applications se multiplient dans le contexte du développement du numérique et des énergies « propres ». Qu’en est-il des risques de ce système électrochimique de stockage de l’énergie ?
Il y a un an, le prix Nobel 2019 de chimie était remis aux trois scientifiques à l’origine de l’invention de la batterie lithium-ion. L’Anglais Stanley Whittingham, l’Américain John B. Goodenough et le Japonais Akira Yoshino n’ont eu de cesse de mettre au point et fiabiliser la technologie entre 1970 et 1986.
En 1991, le constructeur Sony Energytech commercialise pour la première fois un « walkman » équipé d’une batterie rechargeable de nouvelle génération.
Presque 30 ans plus tard, la technologie de l’accumulateur Li-ion rechargeable a non seulement envahi le marché de l’électronique portable, mais ses performances sans cesse accrues lui ouvrent de nouveaux horizons.
Marché de la batterie rechargeable : l’essor du Li-ion
Le marché des batteries électriques représentait 80 Mds de dollars en 2018, selon un rapport du cabinet Sia Partners 2019[1], tout en augmentant de 9 % par an. Selon une étude d’Avicenne Energy (2017), le marché pourrait atteindre 115 Mds de dollars en 2025.
Deux types de technologies dominent le marché mondial. La batterie au plomb, qui représente le plus gros volume de production, près de 80 % du total. Et la batterie lithium-ion, qui bénéficie de la plus forte croissance et de la majeure partie des investissements. Au sein de ce marché des accumulateurs rechargeables, la part la plus importante concerne les batteries de démarrage et d’allumage pour les véhicules (moto, auto, camion). Suivent ensuite les applications liées à la mobilité électrique, puis les applications portatives.
La production mondiale des cellules pour les batteries lithium-ion se situe principalement en Chine, au Japon et en Corée du sud. Les réserves de lithium en tant que métal sont concentrées principalement en Amérique du Sud (Chili, Argentine), en Chine et en Australie. Consciente de son retard et des enjeux liés à la technologie, l’Europe via les efforts conjoint de la France et l’Allemagne a souhaité mettre en place une filière industrielle spécifique. Ce que l’on appelle « l’Airbus des batteries » a ainsi vu le rapprochement récent de Total et PSA au travers de la société Automotive Cells Company (ACC).
Une technologie universelle, des applications multiples
Avec le développement du numérique et l’abandon programmé des énergies fossiles pour cause de réchauffement climatique, la fée électricité est de plus en plus plébiscitée. Dans ce contexte, les usages de la technologie lithium-ion sont à la fois très divers et en forte croissance sur certains segments. On distingue schématiquement trois types d’application :
- Le portable. C’est le principal marché des accumulateurs lithium-ion, en grande partie lié au développement du numérique et du multimédia. Les batteries concernées développent généralement des petites puissances pour de petites applications électroniques mobiles. Après un boom dans les années 2000, le rythme de croissance de ces marchés tend à retrouver un niveau normal.
Exemples d’usages : ordinateur, multimédia, petit électroménager, outillage, appareils médicaux…
Exemples d’usages : vélo, drone, chariot de manutention, automobile, camion, bateau, train, avion…
- Le transport. Le constat du réchauffement climatique et la prise en compte de l’impact environnemental du secteur des transports a conduit au durcissement des normes d’émissions en vigueur. Le secteur de la mobilité électrique, avec en fer de lance celui de l’automobile, est celui qui a le vent en poupe. Mais d’autres secteurs pourraient être impactés. En juin 2020, l’Agence européenne de la sécurité aérienne a certifié le Pipistrel Velis Electro, le premier avion du genre équipé de deux batteries lithium-ion refroidies par eau.
- Le stockage stationnaire. C’est le domaine où les batteries sont utilisées pour secourir les défaillances des installations électriques. Longtemps chasse gardée de la batterie au plomb, le secteur bascule progressivement vers le lithium-ion. Plus fiable et moins coûteuse, la technologie Li-ion bénéficie en outre des développements liés à la production d’électricité au moyen d’énergies renouvelables. Le caractère aléatoire et variable dans le temps de ces énergies rend indispensable le couplage des générateurs électriques avec des moyens de stockage électrochimique à haut rendement. Dans le sud de la Californie, le Gateway Energy Storage permet ainsi de sauvegarder 230 MW sur la base de cellules au lithium-ion, en relais des énergies renouvelables.
Exemples d’usages : data center, réseau téléphonique, batterie tampon en relais de la production d’énergie renouvelable, station solaire de recharge de véhicules électriques…
La force de la technologie Li-ion
Cette technologie a plusieurs avantages :
- La densité énergétique. La quantité d’énergie rapportée à la masse ou au volume est sans commune mesure avec les autres batteries rechargeables. Un accumulateur Li-ion affiche une densité énergétique moyenne de 250 Wh/kg, alors que la technologie plomb plafonne à 30 Wh/kg, le nickel-cadmium à 50 Wh/kg. D’autre part, le bon compromis puissance/autonomie permet des domaines d’applications très vastes.
- Le coût en baisse. Il est dû aux progrès dans la fabrication des cellules et aux économies d’échelle liées à la massification de la production. Des projections à 2030 évoquent une division par 10 des prix en l’espace de 20 ans.
- Le très bon rendement. Puisqu’elle ne présente aucun effet mémoire (perte d’une partie de la capacité de stockage en cas de charge ou décharge incomplète), et une faible auto-décharge.
- La longévité de la batterie. Exprimée en cycles de charge/décharge, elle est supérieure à une batterie traditionnelle au plomb. Et contrairement au plomb, la technologie Li-ion ne nécessite pas de maintenance.
- Les plages d’utilisation climatiques. Elles sont plus larges que les batteries au plomb, notamment dans les environnements froids.
Les risques liés aux batteries Li-ion
L’aspect intègre et inerte de la batterie lithium-ion ne doit pas faire oublier qu’il s’agit d’un produit électrochimique potentiellement dangereux. Cette technologie Li-ion présente différents types de risque :
- Les risques électriques. Comme toute batterie, les phénomènes dangereux à considérer sont la production d’arcs électriques, les feux d’origine électrique, les électrocutions et l’émanation d’ondes électromagnétiques et autres courants induits. Les principales causes résident dans les courts-circuits (internes ou externes), un courant électrique excessif, la surcharge ou la décharge, le défaut d’isolement.
- Les risques mécaniques. Les chocs, les vibrations et les perforations peuvent altérer, voire détruire le pack où sont confinés les composants chimiques. Cette perte de confinement peut conduire à la fuite de composants polluants, la production de gaz toxiques (fluorure d’hydrogène) et corrosifs (acides), voire à un incendie en cas de court-circuit interne.
- Les risques chimiques/thermiques. La combinaison des caractéristiques des électrodes et des solvants de l’électrolyte peut conduire, dans certains cas, à l’instabilité de la réaction chimique. Des conditions inhabituelles ou abusives d’utilisation (surcharge, court-circuit, échauffement externe) peuvent provoquer des augmentations brutales de température pouvant déboucher sur des incendies, des explosions ou des dégagements de produits toxiques. C’est ce que l’on appelle l’emballement thermique : la combustion explosive spontanée des composants de la batterie. Un phénomène à la fois redoutable par ses conséquences potentielles, notamment sur les batteries de forte puissance, et redouté de par la difficulté à le détecter et à le stopper.
[1] Lire Les batteries électriques – des investissements actuels en cohérence avec un marché futur (sia-partners.com).
Article extrait du n° 566 de Face au Risque : « Lithium-ion : faut-il craindre l’emballement ? » (octobre 2020).
Bernard Jaguenaud – Rédacteur en chef
Les plus lus…
Le secteur du nettoyage industriel étant particulièrement exposé aux risques d’accidents du travail ou de maladies professionnelles, l’entreprise SafetyKleen…
Le 3 décembre dernier, le ministère de la Transition écologique a adressé aux préfets l’instruction fixant les actions prioritaires…
Grâce à une résistance chimique, une durabilité et une solidité supérieures, les polyamides renforcés se distinguent en tant…
Le monde de la sûreté et de la sécurité incendie évolue, et avec lui, les technologies connectées. Grâce à…
La tempête Martin, qui a touché une large moitié sud de la France fin décembre 1999, a provoqué une…
Un essai de feu sur batteries lithium réalisé pour France Assureurs s’est tenu sur le site de CNPP à…