Dans la mesure où la technologie s’immisce dans les infrastructures sportives et sur les athlètes eux-mêmes, des questions relatives à la sécurité et à la protection des batteries au lithium-ion se posent naturellement. La structure des batteries peut être altérée par des forces physiques, exposant ses utilisateurs à des blessures graves en cas de défaillance majeure des cellules au Li-ion et pouvant provoquer une forte chaleur, un incendie et même une explosion. Pour réduire ces effets, les fabricants de batterie ne cessent de développer une large gamme de mécanismes de protection dans ces appareils.
En raison de leur faible poids et de leur capacité énergétique élevée, les batteries au Li-ion occupent un rôle central dans les applications allant des véhicules électriques au sport en passant par les outils de suivi d’activité de fitness. En fait, les cellules au Li-ion peuvent être conçues pour délivrer une puissance et une énergie élevées qui surpassent les performances des technologies de batterie traditionnelles.
Des soucis de sécurité relatifs aux technologies au Li-ion ont été mis en évidence dans le cadre de défaillances de batteries au Li-ion grand format sur des véhicules électriques Tesla et sur le 787 Dreamliner, qui est le dernier avion de ligne vedette de Boeing. Des incendies survenus sur des batteries lors de vols du Dreamliner ont conduit à l’immobilisation de tous ces avions à l’échelle mondiale. Suite à cet événement, Boeing a déclenché un examen détaillé portant sur la conception de la batterie du 787. Pour le public en général, cet événement a soulevé des questions plus vastes relatives à la sécurité des batteries au Li-ion dans toutes les applications grand public. En fait, les batteries au Li-ion sont omniprésentes dans les appareils grand public et fonctionnent de manière sécurisée et fiable lorsque les marges recommandées sont respectées. En ce qui concerne Boeing, une reconception du système de batterie au Li-ion a permis la reprise des vols du 787. Ses batteries au Li-ion sont placées dans une armoire en acier inoxydable étanche à l’air ventilée par le biais d’une soupape de décharge alimentant un tube longeant le fuselage pressurisé de l’avion lui-même.
Des mesures drastiques similaires à celles prises pour la conception du système de batterie robuste équipant le Boeing 787 ne sont pas nécessaires (et ne peuvent bien évidemment pas être envisagées) pour les batteries destinées au sport et au fitness. Grâce à une combinaison de mécanismes de protection internes et de méthodes d’emballage, ces composants peuvent toutefois servir à alimenter en toute fiabilité les appareils destinés aux activités sportives et de fitness les plus exigeantes.
Structure d’une cellule au Li-ion
Une cellule au Li-ion est constituée d’une structure simple, dans laquelle des ions lithium se déplacent dans un électrolyte non aqueux depuis les électrodes négatives et positives au cours de la décharge et dans le sens inverse lors de la charge. Une batterie classique de type 18650, par exemple, est constituée d’une structure à trois couches comprenant la plaque positive, une couche de séparation et la plaque d’électrode négative. Cette structure est enroulée pour former la batterie en forme de rouleau que l’on connaît.
Figure 2 : Une batterie cylindrique classique de type 18650 comprend une structure de cellules au Li-ion à trois couches enroulée de manière à former un rouleau et placée dans un boîtier de protection.
(Source : Panasonic)
Les cellules au Li-ion fonctionnent dans une plage de températures étroite (Figure 3) qu’elles soient utilisées comme appareils à une seule cellule ou associées dans des packs de batteries multicellules. Au cours d’un fonctionnement normal, même une batterie en contact étroit avec le corps humain demeure dans sa zone de fonctionnement sécurisé et ne présente donc aucun danger inhérent pour l’utilisateur. Les cellules au Li-ion soumises à une élévation de température de quelques degrés au-dessus de leur plage de température optimale restent sûres, mais commencent à subir un vieillissement accéléré et présentent une perte de capacité énergétique associée.
Figure 3 : Les cellules au Li-ion offrent des performances optimales lorsqu’elles fonctionnent dans une plage de température ambiante étroite et avec des différences de températures minimales entre les cellules distinctes d’une pile multicellules. (Source : University of Oxford, Energy and Power Group)
Cependant, de graves problèmes peuvent survenir si les cellules au Li-ion atteignent des températures plus élevées en raison d’une combinaison de facteurs liés notamment à une chaleur humaine continue, une température ambiante élevée, un rayonnement solaire et une faible ventilation. Au-delà d’une plage de température optimale, les processus chimiques s’accélèrent radicalement et un accroissement rapide de la température et de la pression interne peut provoquer un emballement thermique.
Réduction de l’emballement thermique
Le processus d’emballement thermique commence progressivement par une augmentation de la température au sein de la cellule en raison d’une défaillance électrique, d’un dommage mécanique ou de la présence d’une source de chaleur externe, telle qu’une cellule voisine déjà engagée dans le cycle d’emballement thermique. À mesure que la température de la cellule augmente, des interactions chimiques provoquent une défaillance exothermique des composants de la cellule contribuant à l’élévation de la température des cellules. Les électrodes peuvent tomber en panne et libérer des gaz inflammables. L’augmentation de la température et de la pression au sein de la cellule a pour effet de désintégrer la séparation provoquant un court-circuit des cellules et la libération davantage de chaleur. Les différentes compositions chimiques et conceptions des cellules repoussent le seuil provoquant des pannes irréversibles et un emballement thermique. La température des cellules pouvant à terme atteindre des centaines de degrés (Figure 4). À ce stade, la batterie tombe en panne de manière catastrophique entraînant la rupture de son boîtier et prend généralement feu en raison des gaz libérés qui réagissent avec l’oxygène environnant.
Figure 4 : En examinant trois différents types de batteries au Li-ion du commerce (bleue, verte et rouge), des chercheurs ont découvert que ces dernières présentaient des pics de défaillance thermique avec un profil prévisible et un dépassement des seuils en fonction du type de batterie, de la chaleur externe (1 par rapport à 2) ou simplement en raison de variations sur des appareils similaires. (Source : Royal Society of Chemistry)
Les sources d’alimentation au lithium-ion sont conçues avec des circuits dédiés capables de gérer des cellules distinctes et d’équilibrer la charge dans les packs multicellules tout en assurant une protection contre les conditions de surtension et sous-tension, le courant de charge excessif et les températures élevées. Parallèlement à la protection électronique intégrée, les batteries au lithium sont dotées d’un certain nombre de protections mécaniques intégrées conçues pour réduire les facteurs à l’origine de l’emballement thermique (Figure 5). Les composants de la batterie sont généralement scellés à l’aide de joints ou de soudures conçues pour rompre sous une pression interne élevée. Pour une protection supplémentaire, les capuchons de batterie sont souvent entaillés ou conçus avec des disques de rupture spécifiques destinés à s’ouvrir pour libérer la pression. Les dispositifs d’interruption de charge (CID) coupent physiquement la connexion entre la cellule et le circuit externe en réponse à une surcharge, une décharge excessive, une surchauffe ou un court-circuit interne.
Figure 5 : Un capuchon de batterie type inclut un certain nombre de structures mécaniques conçues pour éviter les situations pouvant provoquer une défaillance catastrophique et un emballement thermique.
(Source : U.S. Department of Energy National Renewable Energy Laboratory)
Une des méthodes d’atténuation efficace dont sont dotées les batteries au Li-ion du commerce utilise une structure à coefficient de température positif de limitation de courant. Ce dispositif entoure le capuchon de la batterie en interne (voir de nouveau la Figure 5) de manière à limiter les courants externes en cas de court-circuit de la batterie. Les dispositifs à coefficient de température positif de batterie sont généralement conçus à partir d’une matrice de polyéthylène cristallin imprégné de particules conductrices présentant une forte augmentation en termes de résistance face à une élévation de température. En cas de court-circuit de la batterie, l’augmentation rapide du courant provoque un auto-échauffement dans le dispositif PTC. Cela provoque l’augmentation rapide de la résistance du dispositif PTC et réduit le flux de courant. La résistance du dispositif PTC reste élevée tant que la batterie est court-circuitée, ce qui limite le courant jusqu’à la levée du court-circuit. Dès que la batterie reprend un fonctionnement sécurisé, la résistance du dispositif PTC revient à la normale, jouant ainsi le rôle de fusible réinitialisable de protection.
Protection physique
Dans le cadre d’un fonctionnement longue durée, les électrodes de cellule peuvent progressivement tomber en panne et même se séparer provoquant une perte de capacité globale. Dans certains cas, une rupture de ces électrodes ou même de simples impuretés dans celles-ci peuvent entraîner la formation de dendrite, où du lithium métallique cristallise essentiellement sur l’anode de la batterie. Au fil du temps, le lithium métallique peut continuer de s’accumuler sur la dendrite qui peut finir par former un pic. À terme, la dendrite peut atteindre une longueur suffisante pour percer le séparateur situé entre les électrodes créant un court-circuit dans la cellule.
Figure 6 : Les micrographes de formation de dendrite montrent l’augmentation rapide de la taille de ces pics de lithium métalliques et leur croissance aléatoire, qui peut même endommager les structures internes et provoquer un court-circuit dans la cellule au Li-ion. (Source : U.S. Department of Energy National Renewable Energy Laboratory)
Bien que la formation de dendrite puisse avoir un effet à plus long terme, des forces externes, telles que des vibrations ou une accélération soudaine peuvent endommager les électrodes, augmentant ainsi le risque de formation de dendrite ; dégrader l’intégrité de la structure physique de la batterie, compromettant la protection ; ou même couper les connexions électriques, entraînant une défaillance de la batterie.
Une batterie au lithium ion ayant subi un choc mécanique externe soudain peut se voir littéralement exposée au risque d’emballement thermique. Dans le cadre d’activités sportives et de fitness, des perforations provoquées par un équipement, comme une raquette, une crosse de hockey ou des souliers à crampons, peuvent endommager l’enveloppe externe et perturber le séparateur, créant ainsi un chemin conducteur entre les électrodes. Pire, une perforation peut causer la fuite de l’électrolyte non aqueux et même la libération de gaz inflammables si la batterie endommagée a déjà commencé à subir une dégradation chimique.
De la même manière, en cas d’écrasement d’une batterie au lithium, les dommages subis par les électrodes peuvent dans le meilleur des cas avoir un effet néfaste sur les performances de la batterie. Dans le pire des cas, si la structure de la batterie est écrasée à tel point que le séparateur est atteint, un court-circuit est susceptible de se produire et de provoquer un emballement thermique.
Les fabricants anticipent ces problèmes par la conception de boîtiers de batterie appropriés à chaque application. Dans les appareils grand public habituels, les packs de batterie peuvent être scellés dans des boîtiers en plastique ou en métal rigide, ou même liés à l’emballage lorsque les exigences en termes de poids et les considérations de sécurité permettent un emballage minimal.
Les fabricants de batteries personnalisées, tels que iTECH et Nuvation s’adaptent à des conceptions de cellules à Li-ion spécifiques en combinant des matériaux et des méthodes de fabrication pour créer des boîtiers appropriés à ces appareils. La cellule cylindrique que l’on connaît repose généralement sur un ensemble en acier inoxydable qui peut être trop volumineux pour les appareils de sport et de fitness portables. Pour ces applications, les fabricants se tournent souvent vers des conceptions de cellules prismatiques, qui utilisent une structure en couches permettant d’obtenir des géométries de cellules plus fines et qui sont généralement placées dans des conteneurs métalliques. Pour les formes ultracompactes, les conceptions de cellules en forme de poche sont des structures simples, dans lesquelles les électrolytes et les électrodes sont contenus dans de fines poches scellées dotées de connexions sous forme de languettes conductrices soudées à l’électrode.
Les technologies au Li-ion offrent des densités d’énergie considérablement plus élevées que celles des technologies de batterie précédentes. Placées dans des boîtiers appropriés et utilisées dans les conditions de fonctionnement recommandées, les cellules au Li-ion offrent une source d’énergie efficace capable de répondre aux besoins physiques et énergétiques des applications sportives et de fitness.