La technologie lithium-ion offre des performances idéales pour fournir une alimentation de secours haute performance dans un format compact et léger. Cependant, avec la maturation de l'industrie des batteries lithium-ion, des incidents de sécurité importants se sont produits. On peut citer, par exemple, l'incendie d'un système de stockage d'énergie dans les installations d'Arizona Public Service en 2019 et l'évasion miraculeuse de Richard Hammond, présentateur de Top Gear, d'une voiture en flammes.
Ces incidents ont en commun l'emballement thermique, qui se produit lorsqu'un court-circuit au sein d'une cellule engendre des températures élevées. Ce phénomène se propage aux autres cellules, provoquant leur défaillance et la libération de gaz chauds et inflammables.
La sécurité repose sur la prévention de l'emballement thermique. Le choix d'une chimie lithium-ion intrinsèquement sûre est donc crucial. Toutefois, il est tout aussi important de ne pas négliger l'importance d'une conception robuste et d'une construction mécanique, électrique et électronique de qualité. Ces composants déterminent les performances de la batterie et doivent dissiper la chaleur.
famille Li-ion
La complexité des batteries lithium-ion réside dans le fait qu'il ne s'agit pas d'un type unique. Le terme « lithium-ion » désigne en réalité toute une famille de technologies chimiques. Chacune de ces technologies possède ses propres caractéristiques de performance, avec des avantages et des inconvénients relatifs en termes de durée de vie, de densité de puissance, de densité énergétique, de performances à hautes et basses températures, et de sécurité.
Ces produits chimiques peuvent être utilisés individuellement ou mélangés pour obtenir un équilibre de propriétés adapté à une application donnée.
La plus grande branche de la famille des batteries lithium-ion est constituée d'oxydes métalliques, les deux autres branches utilisées étant les phosphates de fer et les titanates. Les titanates sont utilisés dans des applications relativement spécifiques, notamment pour la traction ferroviaire et les véhicules tout-terrain haute performance.
Oxydes métalliques versus phosphates
Les oxydes métalliques, tels que l'oxyde de lithium-nickel-cobalt-aluminium (NCA) et l'oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt (NMC), possèdent une densité énergétique particulièrement élevée. De ce fait, ils conviennent parfaitement aux batteries compactes et haute puissance, comme celles utilisées dans les véhicules électriques, notamment en cas de situation d'urgence. Chez Saft, nous utilisons le NCA pour l'exploration spatiale et les batteries de satellites en raison de sa densité énergétique supérieure.
Le principal inconvénient des oxydes métalliques en matière de sécurité réside dans leur teneur en oxygène. En cas de court-circuit interne, cet oxygène peut être libéré, provoquant des inondations thermiques, les températures pouvant atteindre 800 à 1 000 °C. La libération d'oxygène par le mélange d'oxydes métalliques rend pratiquement impossible le fonctionnement efficace d'un système d'extinction d'incendie à base d'azote ou de fluorocétone.
Même avec une conception soignée, le potentiel thermique de propagation rend les oxydes métalliques inadaptés aux sites critiques pour la sécurité tels que les centres de données.
Lorsque la sécurité est primordiale, il est essentiel de réduire les risques en spécifiant la chimie du phosphate, par exemple le phosphate de fer lithié (LFP) ou un mélange de phosphate de fer lithié super-lithium (SLFP). Ces phosphates ne contiennent pas d'oxygène ; la température n'excède donc jamais 250 °C, ce qui empêche la dégradation thermique au sein de la cellule et rend la propagation aux autres cellules pratiquement impossible.
Dans un environnement de centre de données, un système basé sur la technologie du phosphate de fer aura une durée de vie d'environ 20 ans.
Même dans des environnements où la température ambiante atteint 35 °C, la batterie devrait avoir une durée de vie de 14 ans. Son principal inconvénient réside dans sa densité énergétique, inférieure de 30 % à celle des batteries à oxyde métallique, et dans sa tension de cellule plus faible.
Sécurité des bâtiments
Un autre aspect à prendre en compte dans le choix d'une batterie est la capacité de la technologie à répondre aux normes du bâtiment.
Des normes telles que IFC 2018 et NFPA 855 contrôlent les risques potentiels en exigeant une capacité énergétique limitée dans les batteries Li-ion de 20 kWh par système, ou 600 kWh par installation, et qu'un espace d'air de 3 pieds (environ 1 m) sépare chaque système.
Cependant, les opérateurs peuvent avoir besoin de systèmes plus grands et plus puissants ; c’est pourquoi des tests rigoureux, conformes à la méthode d’essai UL 9540A, sont effectués pour évaluer les risques d’inondation thermique. Ces tests comprennent une série d’essais exigeants qui évaluent les systèmes de batteries et leur capacité à résister aux défaillances des cellules, des modules et des armoires individuelles, ainsi que des installations dans leur ensemble.
Il a été prouvé que les systèmes de batteries à base d'oxyde métallique réussissent les tests UL 9540A, malgré l'emballement thermique entre les cellules et les modules. Lors de ces tests, il est même arrivé que le module de batterie et certains petits composants internes des cellules soient éjectés pendant l'emballement thermique.
Il convient également de noter que l'une des recommandations de l'Arizona Public Service concernant l'évacuation en cas d'incendie stipule que les systèmes d'extraction d'air doivent être capables de gérer le volume et la température des gaz générés lors d'un tel incident. Les systèmes à base de phosphate produisent nettement moins de gaz à des températures plus basses que les systèmes à base d'oxyde, ce qui les rend plus adaptés comme systèmes de secours.
conception du système de batterie
La sécurité des batteries dépend également de la conception mécanique et de la fabrication des cellules, ainsi que des boîtiers de protection et des connecteurs électriques. La forme et la conception de la cellule peuvent avoir un impact significatif sur la densité énergétique, la densité de puissance, la durée de vie et la sécurité.
Dans un système de batteries, les cellules sont assemblées en modules et en chaînes, avec un système électronique de gestion de batteries (BMS ). Ce dernier assure la protection et la communication avec un contrôleur d'onduleur, ainsi qu'au sein même du système de batteries.
Une fonction importante du BMS est de surveiller le profil de tension et de température de la batterie au niveau de chaque cellule, module et chaîne. Le BMS gère ensuite la charge et la décharge des cellules afin de maintenir une température uniforme dans tout le système.
Le système de gestion de batterie (BMS) prévient les surchauffes et offre l'avantage supplémentaire de prolonger la durée de vie des batteries. La température influe sur la durée de vie des cellules ; maintenir une température uniforme garantit donc un vieillissement homogène de toutes les batteries et des performances prévisibles.
Dans le cas de batteries à grande échelle avec des chaînes logées dans plusieurs armoires, unmaître de gestion de batterie(MBMM) surveillera les performances de toutes les chaînes.
Priorisation des serveurs
Un autre point important concernant la gestion des batteries est que l'utilisation d'une batterie dédiée au service de centre de données est différente de l'utilisation d'une batterie pour un système de stockage d'énergie (ESS).
Les batteries ESS sont conçues comme des actifs précieux pour générer des revenus et, à ce titre, leur BMM contient un boîtier de sécurité qui empêche les décharges excessives afin de ne pas endommager les batteries.
En comparaison, le rôle d'une batterie d'onduleur est de prévenir les coûts liés aux coupures de courant. L'enquête mondiale 2020 de l'Uptime Institute auprès des responsables de centres de données et de services informatiques a révélé que quatre coupures sur dix coûtent entre 100 000 et 1 million de dollars, et qu'environ une sur six coûte plus d'un million de dollars.
L'impact peut être encore plus important si l'on tient compte des coûts indirects et des atteintes à la réputation.
Pour les centres de données critiques, les opérateurs ont besoin d'un système de batteries pouvant être entièrement déchargé, assurant ainsi le fonctionnement du serveur jusqu'à la dernière seconde, même au prix de la décharge complète de la batterie.
En définitive, un système de batterie Li-ion doit garantir l'absence de compromis en matière de sécurité et de performances de secours.
Auteur : Gareth Hackett, expert en technologie Li-ion chez Saft, explique comment comprendre la sécurité et les performances des batteries Li-ion.
