Réévaluer la sécurité et les risques associés des batteries lithium – Les électrolytes gel sont-ils la solution ?

La demande de batteries lithium-ion est sur le point d’augmenter à un rythme phénoménal. Les estimations prévoient qu’entre 2022 et 2030, la demande mondiale pour ces batteries augmentera jusqu’à sept fois pour atteindre 4,7 térawattheures. 

La demande est stimulée par l’utilisation extensive de ces batteries dans l’électronique portable et le stockage d’énergie, y compris les véhicules électriques. Cependant, ces batteries ne sont pas sans risque. Elles sont vulnérables aux incendies et aux explosions. 

Une solution à ces vulnérabilités implique les batteries semi-solides. Elles réduisent les risques en trouvant un compromis entre les batteries lithium-ion traditionnelles à électrolytes liquides et les batteries à état solide. 

Un électrolyte de type gel, utilisé comme composant, aide ces batteries à obtenir une stabilité accrue et une durée de vie plus longue. Cependant, ces électrolytes gel, en raison de leur traitement thermique prolongé à haute température, peuvent subir une dégradation notable, entraînant une performance diminuée et des coûts de fabrication accrus. Le processus de fabrication de ces batteries fait également face à un défi lié à la résistance d’interface entre l’électrolyte semi-solide et l’électrode. 

Récemment, le professeur Soojin Park, Seoha Nam, doctorant, et le Dr Hye Bin Son, chercheur au Département de chimie de l’Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH), ont mis au point des solutions viables pour relever ces défis en créant une batterie à base d’électrolyte gel stable et commercialement viable. 

Dans la section suivante, nous approfondirons la compréhension du mécanisme de la batterie.

Électrolyte gel sûr et commercialement viable pour les batteries lithium

En s’attaquant aux défis des électrolytes dégradés, de la performance diminuée et de la hausse des coûts, l’équipe de chercheurs a exploité un additif bifonctionnel réactif (CIA) et le dipentaérythritol hexaacrylate (DPH) avec la technologie de faisceau d’électrons (e-beam). 

Les chercheurs ont suivi une approche différente du processus de fabrication conventionnel, qui comprenait la préparation de l’électrode, l’injection d’électrolyte, l’assemblage, l’activation et le dégazage. 

Au lieu de cela, ils ont renforcé la double fonctionnalité du DPH en introduisant une étape supplémentaire d’irradiation par faisceau d’électrons après le processus de dégazage. Parallèlement, le CIA a servi à la fois d’additif pour faciliter une interface stable entre les surfaces de l’anode et de la cathode pendant l’activation et de réticulant pour former une structure polymère lors du processus d’irradiation par faisceau d’électrons.

La solution obtenue a pu réduire de façon notable la génération de gaz due aux réactions secondaires de la batterie pendant les processus de charge et de décharge initiaux. La diminution était aussi élevée que 25,5 fois par rapport aux batteries conventionnelles. La solution a également pu maintenir de façon stable la résistance interfaciale grâce à une forte compatibilité entre les électrodes et l’électrolyte gel. 

Cependant, les chercheurs ne se sont pas arrêtés à ces réalisations. Ils ont développé une batterie à haute capacité de 1,2 ampère-heure, testée à une température de 55 °C – une température à laquelle les électrolytes commencent à se décomposer. À 55 °C et au‑delà, les batteries conventionnelles utilisant des électrolytes subissent une réduction significative de capacité et un gonflement après 50 cycles.

La nouvelle batterie, en revanche, a pu maintenir une capacité de 1 ampère‑heure même après 200 cycles sans génération de gaz et a démontré des normes de sécurité et de durabilité améliorées. 

En détaillant l’utilité de cette découverte scientifique, le professeur Soojin Park de POSTECH a déclaré :

« Cette avancée en matière de stabilité et de viabilité commerciale représente une percée dans l’industrie des véhicules électriques. Nous espérons que cette évolution bénéficiera grandement non seulement aux véhicules électriques mais aussi à un large éventail d’autres applications reposant sur les batteries lithium‑ion. »

Dans les sections suivantes, nous examinerons brièvement quelques-unes de ces applications des batteries lithium‑ion. 

L’application des batteries lithium sûres

Bien qu’elles aient récemment attiré l’attention pour leur utilisation dans les véhicules électriques, les batteries lithium‑ion sont également utilisées en toute sécurité dans un large éventail d’autres applications. Plusieurs de ces applications font partie intégrante de notre quotidien, exigeant viabilité commerciale et robustesse. Par exemple, les batteries lithium rechargeables sont courantes dans les pacemakers et doivent alimenter l’appareil pendant une durée de vie typique de sept à huit ans tout en restant sous les 30 grammes.

Les appareils photo numériques, en particulier les reflex numériques (DSLR), comptent sur les batteries lithium‑ion pour leur taille compacte et leur haute capacité énergétique, offrant des performances supérieures par rapport à d’autres types de batteries. De même, les assistants numériques, les smartphones et les ordinateurs portables dépendent de ces batteries sûres et fiables pour leur durabilité, leur densité énergétique élevée, leur légèreté, leur facilité de charge et leur entretien à faible coût.

De plus, les petites batteries Li‑ion de 3 volts sont utilisées dans des dispositifs aussi petits que les montres, pouvant durer jusqu’à une décennie. Ces batteries alimentent également des solutions de mobilité comme les trottinettes personnelles, les voitures de golf et les chariots, grâce à leur capacité à stocker et libérer efficacement l’énergie électrique. Cette capacité les rend idéales pour des applications telles que les systèmes d’alimentation sans interruption (UPS), les secours d’énergie d’urgence et le stockage d’énergie solaire. En outre, elles sont de plus en plus employées dans des domaines émergents comme les véhicules marins et de loisirs, ainsi que les dispositifs médicaux portables conçus pour être portés.

L’adoption croissante des batteries lithium a entraîné une augmentation de leur production et de leur fabrication. Cependant, il est crucial que ces processus soient aussi sûrs et viables que les batteries elles‑mêmes. Cette préoccupation est soulignée par le récent incendie tragique survenu dans une usine sud‑coréenne de batteries lithium, qui a causé la mort de 22 travailleurs.

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Incendie dans une usine sud‑coréenne de batteries lithium

Le 24 juin, un incendie dévastateur s’est déclaré dans une usine de batteries lithium en Corée du Sud, provoqué par plusieurs explosions de batteries, entraînant la mort de 22 travailleurs. L’usine, exploitée par le principal fabricant de batteries Aricell, est située à Hwaseong, une zone industrielle au sud‑ouest de Séoul.

Peu après le déclenchement du feu, un gaz toxique s’est rapidement propagé dans toute l’usine, qui stockait jusqu’à 35 000 batteries à ce moment‑là. En expliquant la raison possible pour laquelle l’incendie a été aussi mortel, le professeur Kim Jae‑ho, spécialiste de la prévention des incendies et des catastrophes à l’Université de Daejeon, a déclaré :

« Les matériaux de batterie tels que le nickel sont facilement inflammables. Ainsi, il y a souvent peu de temps pour réagir, comparé à un feu causé par d’autres matériaux. »

Les experts ont également souligné que le nombre de victimes était plus élevé à cause des matériaux toxiques utilisés et non pas uniquement à cause des brûlures. 

Ces incidents sont‑ils évitables ?

Il faut toujours être prudent lorsqu’on manipule des batteries lithium‑ion, car elles possèdent la plus haute densité énergétique volumétrique parmi les dispositifs de stockage d’énergie. L’Occupational Safety and Health Administration (OSHA) a publié des consignes détaillées pour prévenir les blessures liées aux incendies et aux explosions provenant de petits appareils portables alimentés par des batteries lithium.

Le Massachusetts Institute of Technology, l’un des instituts d’enseignement technologique les plus réputés au monde, a également publié un guide de sécurité pour les batteries lithium‑ion. Selon leurs consignes, toute zone de travail manipulant ces batteries doit être dotée de surfaces non conductrices et ignifuges.

Si l’on doit travailler sur une surface conductrice, il est recommandé de la recouvrir d’un matériau isolant. De plus, la zone doit être exempte de matériaux inflammables ou combustibles tels que des tables en bois, des tapis, de l’essence ou des objets tranchants pouvant percer la gaine isolante des cellules. Les meilleures températures de travail se situent entre 15 et 35 °C, et la température ambiante ne doit jamais dépasser 60 °C.

Un stockage adéquat joue un rôle crucial dans la réduction du risque d’incendie et d’explosion. Le rapport relie de nombreux incendies de batteries lithium‑ion à des zones de stockage inadéquates. Pour maintenir les normes de sécurité les plus élevées, la zone de stockage doit prendre en compte des facteurs tels que la conception de la cellule, la chimie, la température, l’état de charge et la durée de stockage.

Les unités de fabrication de batteries doivent adopter des mesures de sécurité strictes, car les incendies dans les installations de batteries lithium peuvent être catastrophiques non seulement à cause du feu lui‑même mais aussi à cause de la toxicité qui en résulte.

Bien que la sécurité dans la fabrication puisse être continuellement améliorée, les batteries doivent également être intrinsèquement sûres. Certaines entreprises investissent régulièrement dans la production de batteries lithium sûres. Dans les sections suivantes, nous examinerons ces entreprises.

#1. Batteries lithium‑ion de Panasonic Energy

Panasonic est dédié à garantir la sécurité des batteries à mesure que leurs capacités augmentent et se concentre sur le développement de matériaux de batterie avancés, le raffinement des processus et la création de technologies de contrôle pour assurer une utilisation sûre et fiable des batteries.

Ses batteries possèdent une grande capacité de résistance aux températures, le risque d’explosion augmentant lorsque les batteries sont chauffées au‑delà de 100 °C. Cependant, Panasonic reconnaît que l’empilement ou le brassage des batteries peut provoquer des courts‑circuits externes, de la génération de chaleur, un incendie ou une explosion.

L’entreprise suit des directives strictes de manipulation et de stockage, n’autorisant pas les terminaux de batterie à se toucher entre eux ou avec d’autres métaux lors de l’emballage. Elle utilise un matériau d’emballage solide pour protéger les produits des vibrations, des impacts, des chutes et de l’empilement pendant le transport. Panasonic recommande également de stocker les batteries à température ambiante et de les charger à environ 30‑50 % de leur capacité.

Elle produit une gamme de produits de batteries lithium, incluant des batteries cylindriques, prismatiques, de type pochette et à broches.

Selon son dernier rapport intégré disponible pour le groupe, l’entreprise a enregistré un chiffre d’affaires de 8 378,9 milliards de yens en 2023. 

#2. LG Energy Solutions

LG Energy Solutions est une autre marque mondiale de premier plan qui opère selon des directives bien définies pour la fabrication de ses packs de batteries Li‑ion. Elle interdit l’utilisation de cellules de batterie lithium‑ion ayant subi des chutes lors de la fabrication des packs.

Pour éviter les courts‑circuits électriques, les cellules de batterie lithium‑ion doivent être tenues à l’écart des objets métalliques et manipulées dans des environnements qui préviennent les dommages ou la contamination.

De plus, le soudage ne doit pas être effectué directement sur la surface des cellules de batterie lithium‑ion, et les cellules ne doivent pas être exposées à une chaleur ou une pression intenses pendant le processus de soudage.

En 2023, LG a enregistré un volume de ventes de 84 228 milliards KRW, soit une hausse par rapport aux 83 467 milliards KRW de 2022, mais une augmentation significative par rapport aux 73 908 milliards KRW de 2021.

Préoccupations de sécurité des batteries lithium‑ion : un examen complet

Des recherches qui ont largement étudié les préoccupations de sécurité des batteries Li‑ion ont mis en évidence plusieurs problèmes potentiels pouvant constituer une menace ou présenter un risque. 

Les réactions en chaîne thermiques, parmi les problèmes de sécurité les plus graves dans les batteries Li‑ion, proviennent de réactions secondaires. Ces réactions peuvent se produire au sein de l’électrolyte, entre la cathode et l’anode, ainsi qu’aux interfaces des surfaces des électrodes et du dépôt de lithium. Ces réactions en chaîne sont souvent déclenchées par des abus mécaniques, thermiques ou électriques.

Les abus mécaniques peuvent entraîner des problèmes de sécurité dans les batteries Li‑ion, tout comme les abus électriques peuvent compromettre leur intégrité. De même, les abus thermiques, où une batterie subit un choc thermique ou atteint des températures excessivement élevées, posent également des risques importants.

La recherche décrit également des stratégies pour améliorer la sécurité, tant à l’interne qu’à l’externe. Un élément crucial pour renforcer la sécurité des batteries Li‑ion (LIB) est un système de refroidissement intégré bien conçu. De plus, maintenir le bon équilibre entre les cellules est essentiel ; cela implique de mesurer et de comparer les tensions, les capacités ou les états de charge (SOC) de toutes les cellules après chaque cycle de charge.

Les fabricants peuvent suivre plusieurs cadres pour garantir la sécurité de la production. En fait, de nombreux pays ont déjà publié de telles normes, notamment la norme chinoise, la norme de la Society of Automotive Engineers (SAE), la norme de l’International Electrotechnical Commission (IEC), la norme des Nations Unies (UN), la norme japonaise (JIS) et d’autres.

Dans l’ensemble, nous vivons à une époque dominée par les gadgets électroniques, entraînant une dépendance croissante aux batteries lithium. Alors que nous recherchons une plus grande efficacité et rapidité dans nos technologies, nous devons veiller à ce que la sécurité reste une priorité. L’incident récent en Corée du Sud rappelle crûment l’importance de cet équilibre, soulignant la nécessité de prévenir de tels incidents malheureux à l’avenir.

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