Les batteries à semi-conducteurs sont-elles plus sûres ?
À première vue, elles présentent plusieurs avantages en matière de sécurité. Elles éliminent l’électrolyte liquide inflammable et peuvent le remplacer par un électrolyte solide ininflammable. Elles offrent généralement une plage de températures de fonctionnement plus étendue, réduisant ainsi le risque d’emballement thermique dû à la surchauffe des cellules. La chaleur générée par une défaillance thermique externe est également généralement moindre.
Cependant, cela ne dit pas tout. Le terme « batterie à l'état solide » désigne en réalité un ensemble de technologies de batteries. Dans certains cas, la batterie utilise encore un composant liquide pour l'échange d'ions (batterie semi-solide), ce qui signifie qu'elle contient toujours un composant volatil. Certains électrolytes polymères à l'état solide ne sont pas totalement inflammables, et tout électrolyte peut fondre si le système atteint une température suffisamment élevée.
En 2022, la société de transports publics parisiens a temporairement retiré du service 149 bus électriques suite à deux incendies distincts. Il est reproché aux batteries impliquées dans ces incidents d'être composées d'une cathode en LFP, d'une anode en lithium métal et d'un électrolyte polymère solide. Le fournisseur, quant à lui, décrit ses batteries comme « entièrement solides, sans aucun composant liquide, et exemptes de nickel et de cobalt ».
Un autre exemple provient d'une étude de simulation menée par les Laboratoires nationaux Sandia en 2022 (Hewson et al., Joule, vol. 6, n° 4, p. 742-755) qui comparait la sécurité d'une batterie entièrement à l'état solide, d'une batterie à l'état solide avec ajout d'électrolyte liquide à la cathode et d'une batterie lithium-ion classique à électrolyte liquide. L'étude a révélé qu'en cas de défaillance due à un échauffement externe, une batterie à l'état solide avec une petite quantité d'électrolyte liquide génère moins de chaleur qu'une batterie lithium-ion classique, mais plus qu'une batterie entièrement à l'état solide. En cas de court-circuit, la chaleur dégagée dépendait uniquement de la capacité de la cellule. Les batteries à l'état solide pouvant présenter une densité énergétique plus élevée, elles sont susceptibles de générer davantage de chaleur. Les températures typiques d'emballement thermique des batteries lithium-ion standard se situent autour de 1 000 à 1 200 °C. Dans certains scénarios de cette recherche, l'élévation de température des batteries à l'état solide a atteint près de 1 800 °C.
Le développement des batteries à l'état solide se poursuit, mais il apparaît clairement qu'elles peuvent être plus sûres dans la plupart des cas. Toutefois, aucun système de batterie ne sera sûr à 100 %. Par conséquent, la gestion thermique et les matériaux de protection contre l'incendie resteront indispensables pour constituer cette barrière finale qui retarde la propagation du feu au-delà de la batterie.
Solutions de protection incendie :
Les matériaux de protection incendie utilisés pour les batteries à l’état solide seront globalement similaires à ceux utilisés pour les batteries lithium-ion traditionnelles ; le format des cellules (cylindrique, prismatique, poche) et la conception globale du pack auront un impact plus important sur le choix des matériaux. Actuellement, les matériaux les plus couramment utilisés pour la protection passive contre l’incendie comprennent notamment les feuilles de mica, les couvertures céramiques, les mousses d’encapsulation et les revêtements ignifuges. Les aérogels gagnent des parts de marché et des solutions telles que les revêtements intumescents et les matériaux à changement de phase suscitent un intérêt croissant.
Bon nombre de ces matériaux peineraient à résister à des températures supérieures à 1 500 °C. Toutefois, l’objectif ultime n’est pas nécessairement d’arrêter complètement la propagation du feu, mais plutôt de la retarder le plus longtemps possible. Outre leurs performances à haute température, ces matériaux doivent de plus en plus répondre à d’autres exigences, telles que la conformabilité aux cellules, la compacité et le coût. Le marché en pleine expansion des véhicules électriques, de plus en plus soucieux de la sécurité incendie, offrira de nombreuses opportunités aux matériaux de protection contre l’incendie, opportunités qui ne seront pas éliminées par les technologies de batteries alternatives telles que les batteries à l’état solide.
Auteur : Dr James Edmondson, analyste technologique principal chez IDTechEx
