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.

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 :

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.

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.