L'emballement thermique et les incendies de batteries qui en découlent se sont avérés être une préoccupation majeure pour les automobilistes, les concepteurs de batteries et les constructeurs de véhicules électriques.

De nombreux véhicules électriques ont connu des incendies de batterie et des centaines de milliers de véhicules électriques ont été rappelés.

Bien que ces incidents soient rares, ils peuvent être très graves et il est important d'assurer une sécurité maximale aux personnes se trouvant à l'intérieur et à proximité des véhicules électriques.

Une question fréquente est de savoir si la future technologie des batteries à l'état solide sera plus sûre et si elle éliminera le besoin de matériaux de gestion thermique et de protection contre les incendies.

Les piles à l'état solide sont-elles plus sûres ?

À première vue, les piles à l'état solide présentent plusieurs avantages en termes de sécurité.

Elles éliminent l'électrolyte liquide inflammable et peuvent le remplacer par un électrolyte solide ininflammable.

Elles ont aussi généralement une fenêtre de température de fonctionnement plus large, ce qui rend moins probable l'emballement thermique dû à la surchauffe de la cellule.

La chaleur générée par la défaillance du chauffage externe est aussi généralement réduite.

Cependant, ce n'est pas tout à fait exact. Le terme "batterie à l'état solide" désigne en fait une série de technologies de batteries.

Dans certains cas, la batterie utilise encore un composant liquide pour l'échange d'ions (semi-solide), ce qui signifie qu'un composant volatil est toujours présent.

Certains électrolytes polymères à l'état solide ne sont pas totalement inflammables, et tout électrolyte peut fondre si le système devient suffisamment chaud.

En 2022, l'opérateur de transport public de Paris a temporairement retiré 149 bus électriques après deux incendies distincts. Les cellules utilisées ici étaient des batteries avec une cathode LFP, une anode en métal Li et un électrolyte polymère à l'état solide. Le fournisseur décrit ses batteries comme étant "complètement solides, sans composants liquides, sans nickel et sans cobalt".

Un autre exemple provient d'une étude de recherche basée sur la simulation menée par les laboratoires nationaux Sandia en 2022 (Hewson et. al., Joule, Vol.6, Issue 4, 742-755) qui a comparé la sécurité d'une batterie entièrement à l'état solide, d'une batterie à l'état solide avec un électrolyte liquide ajouté dans la cathode, et d'une batterie Li-ion classique à base de liquide.

L'étude a montré qu'en cas de défaillance due à un échauffement externe, une batterie à semi-conducteurs contenant une petite quantité d'électrolyte liquide génère moins de chaleur qu'une batterie Li-ion classique, mais plus qu'une batterie entièrement à semi-conducteurs.

Dans le cas d'un court-circuit, la chaleur dégagée dépend uniquement de la capacité de la cellule.

Étant donné que les batteries à semi-conducteurs peuvent avoir une densité énergétique plus élevée, une plus grande quantité de chaleur pourrait être générée.

Les températures typiques d'emballement thermique évoquées pour les batteries Li-ion ordinaires se situent autour de 1000-1200° C ; dans certains scénarios de cette recherche, l'augmentation de température des batteries à semi-conducteurs a atteint près de 1800° C.

Le développement des batteries à semi-conducteurs est toujours en cours, mais il en ressort que les batteries à semi-conducteurs pourraient bien être plus sûres dans la plupart des cas.

Néanmoins, aucun système de batterie n'est sûr à 100 %. C'est pourquoi les matériaux de gestion thermique et de protection contre l'incendie seront toujours nécessaires pour fournir la dernière couche permettant de retarder la propagation du feu à l'extérieur de la batterie.

Les types de matériaux de protection contre l'incendie utilisés pour les piles à l'état solide seront largement similaires à ceux utilisés pour les batteries Li-ion traditionnelles, le facteur de forme des cellules (cylindrique, prismatique, pochette) et la conception générale de l'emballage auront un impact plus important sur le choix du matériau.

Aujourd'hui, les matériaux couramment utilisés pour la protection passive contre l'incendie sont, entre autres, les feuilles de mica, les couvertures céramiques, les mousses d'encapsulation et les revêtements ignifuges.

Les aérogels gagnent du terrain sur le marché et les options telles que les revêtements intumescents et les matériaux à changement de phase suscitent un intérêt croissant.

Nombre de ces matériaux auraient du mal à supporter des températures supérieures à 1500° C.

Néanmoins, l'objectif final n'est pas nécessairement d'arrêter complètement la propagation, mais de la retarder le plus longtemps possible. Outre les performances à haute température, ces matériaux doivent de plus en plus prendre en compte d'autres fonctions, telles que la conformabilité avec les cellules, les performances de compression et le coût.

La croissance rapide du marché des véhicules électriques, qui met l'accent sur la sécurité incendie, offrira de nombreuses possibilités aux matériaux de protection contre l'incendie, qui ne seront pas éliminées par d'autres technologies de batteries, telles que les batteries à l'état solide.

Source : IDTechEx / Dr James Edmondson, analyste technologique principal chez IDTechEx