En 2016 et 2017, certaines marques de smartphones (notamment Samsung) ont beaucoup fait parler d'elles, grâce à leurs nouveaux smartphones... mais aussi à cause d'un bad buzz causé par l'explosion de batteries au lithium.
Dans cet article, je vais vous expliquer pourquoi le lithium est si répandu dans les batteries, et pourquoi celles-ci peuvent parfois exploser.
Pourquoi le lithium est-il tant utilisé dans les batteries ?
Si les batteries au lithium risquent tant d'exploser, pourquoi ce matériau est-il tant utilisé ? Tout simplement parce que c'est un bon matériau pour les batteries. Avec un numéro atomique de 3, le lithium est le plus léger des métaux alcalins (les métaux de la première colonne du tableau périodique des éléments).
Caractéristiques
- Symbole : Li.
- Catégorie : métaux alcalins (groupe 1 du tableau périodique).
- Numéro atomique : 3.
- Masse atomique : 6,941 u.
- Masse volumique : 0,534 g/cm3 à 20 °C.
- Électronégativité : 1,0.
- Température de fusion : 180,5 °C.
- Isotopes : 6Li et 7Li.
Utiliser du lithium permet donc d'avoir des batteries plus légères, ce qui est bien pratique pour les appareils mobiles tels que les smartphones, les tablettes et les ordinateurs portables. Au début des années 2000, la plupart des téléphones étaient relativement compacts, un peu épais mais pas larges. Désormais, beaucoup de smartphones ont une diagonale de 5,5 pouces et sont donc plus larges et plus encombrants, mais aussi plus lourds. Si un métal plus lourd était utilisé pour la batterie de votre smartphone, celui-ci serait moins discret dans votre poche. Idem pour votre laptop : il doit être léger et facile à transporter.
Il y a un autre domaine où les batteries au lithium sont utilisées : celui de la mobilité. On utilise des batteries au lithium dans les voitures. Les batteries étant beaucoup plus grosses que dans votre smartphone ou votre laptop, il vaut mieux qu'elles soient le plus légères possible. C'est encore plus vrai pour les voitures électriques. Plus un véhicule est lourd, plus il a tendance à consommer de l'énergie. Basique. C'est pour ça qu'un 4x4 a tendance à consommer plus qu'une petite citadine. Alléger le véhicule permet de réduire sa consommation d'énergie. Si vous connaissez vos équations de Newton, vous savez que la masse rentre en compte dans le calcul des forces. Plus la masse d'un objet est importante, plus il faut une force importante pour le déplacer.
Dans le cadre du développement des véhicules électriques, il est donc crucial d'avoir des batteries le plus légères possible afin d'augmenter leur autonomie kilométrique.
Pour ceux qui comprennent bien l'anglais, je vous conseille de regarder cette petite vidéo explicative sur la chaîne YouTube de BASF.
Pourquoi du lithium et pas autre chose ?
Autrefois, on utilise souvent des batteries nickel-cadmium (Ni-Cd). Cependant, ces batteries avaient plusieurs inconvénients : en plus d'avoir une autonomie plus basse, elles avaient une durée de vie moindre et étaient très polluantes (notamment à cause du cadmium qui est très toxique). De plus, elles avaient un "effet de mémoire" important. Kézako ? L'effet de mémoire, c'est un phénomène qui se produit dans les accumulateurs lorsque ceux-ci ne sont pas totalement déchargés avant être rechargés. Si un accumulateur est rechargé trop de fois avant d'être déchargé complètement, cela a tendance à diminuer sa capacité à restituer de l'énergie. Mais ça, c'était avant. Avec les batteries au lithium, l'effet mémoire est bien moindre voire inexistant !
Toutes ces raisons font qu'on est donc progressivement passés au lithium. Si la technologie Ni-Cd était encore largement répandue au début des années 1990, aujourd'hui, elles ont été largement supplantées par les batteries Li-ion. Mais pourquoi utilise-t-on du lithium et pas autre chose ? Pourquoi pas du plomb, du sodium ou du potassium ?
La légèreté. Le lithium est le métal le plus léger du tableau périodique. Les appareils mobiles comme les smartphones, tablettes et les ordinateurs portables sont censés être le plus léger possible. Comme on l'a dit précédemment, utiliser un métal léger permet d'avoir des batteries moins "lourdes", ce qui est plus pratique pour les utilisateurs. Si on utilisait des batteries au plomb, non seulement vos appareils mobiles seraient beaucoup plus lourds, mais en plus ils seraient plus volumineux (donc moins pratiques à transporter).
Une moindre toxicité. Pendant longtemps, on utilisait du plomb pour dans les batteries. On l'utilisait aussi pour faire des canalisations d'eau et dans les peintures isolantes. Or, le plomb, qui fait partie de la famille des métaux lourds, est un élément très toxique. Raison de plus pour éviter de l'utiliser dans les appareils du quotidien.
La capacité de stockage. Les batteries lithium-ion ont une capacité de stockage élevée, le tout pour un faible volume. C'est notamment pour ça qu'on les utilise dans les téléphones portables, dans les ordinateurs portables ou encore dans les appareils photos. Ces appareils pourraient utiliser des batteries au sodium (car le sodium a l'avantage d'être moins cher), mais celles-ci offrent une moindre capacité.
La durée de vie. Les batteries lithium-ion ont une durée de vie un peu plus importante (plusieurs centaines de cycles) que les batteries au plomb.
Les temps de charge. Un gros avantage des batteries lithium, c'est leur rapidité de charge. Si ça peut vous sembler long de charger votre batterie de smartphone ou de PC portable, eh bien sachez que les batteries au plomb mettent environ 4 fois plus de temps à se recharger !
L'évolution de la technologie. Les batteries au sodium et au potassium ne sont pas encore assez avancées, et il y a encore beaucoup de recherche à faire pour qu'elles deviennent aussi pratiques que les batteries lithium. De plus, il faudra qu'elles soient adoptées par les industriels avant d'être massivement utilisées dans nos appareils et nos véhicules. Le lithium a encore de beaux jours devant lui...
Pourquoi le lithium provoque-t-il des explosions ?
Venons maintenant au sujet principal de cet article : les raisons qui font que les batteries au lithium explosent facilement. Eh bien c'est simple Fred, c'est parce que les batteries de Samsung étaient radicalisées et jouaient aux jeux vidéo. Plus sérieusement, cela est généralement dû à un court-circuit. À l'intérieur d'une batterie lithium-ion, il y a deux électrodes l'anode et la cathode plongée dans un liquide conducteur appelé électrolyte. Entre ces deux électrodes, il y a un séparateur. Lorsque vous chargez ou déchargez une batterie, les ions lithium passent d'une électrode à l'autre à travers cette barrière. Lorsque ce flux d'ions est trop rapide ou trop instable, trop d'énergie est délivrée trop rapidement, ce qui provoque une réaction exothermique (c'est-à-dire un dégagement de chaleur) et l'électrolyte peut s'enflammer. Le liquide enflammé cherchant à s'étendre, la pression à l'intérieur de la batterie augmente, ce qui la fait gonfler voire exploser.
On parle alors "d'emballement thermique". C'est pour ça qu'il est important que les batteries lithium-ion ne se chargent (et déchargent) pas trop rapidement. Les batteries de ce type peuvent aussi s'enflammer si elles sont trop chargées, par exemple à cause d'une tension inappropriée (c'est pour ça qu'il vaut mieux toujours utiliser le type de chargeur recommandé).
Certains défauts de fabrication peuvent aussi engendrer un comportement anormal de la batterie. Des soudures de mauvaise qualité peuvent par exemple causer un phénomène de résistance électrique. Si vous avez déjà fait un petit peu d'électronique ou si vous avez simplement utilisé un radiateur électrique, vous savez qu'une résistance électrique traversée par un courant, ça chauffe. Dans une batterie, si un phénomène de résistance se produit, la température augmente, et cela peut mener à une inflammation de l'électrolyte et les conséquences dont on a parlé juste avant...
Quelles solutions pour plus de sécurité ?
Des variantes existent, par exemple les batteries lithium-polymère (Li-Po). Dans cette version, l'électrolyte liquide est remplacé par un gel, ce qui diminue les risques d'explosion. En revanche, ces batteries peuvent produire un dégagement exothermique important. Ce type de batterie offre des performances relativement proches de celle du lithium-ion. Son prix est souvent plus un petit élevé.
Voici une petite vidéo sur la dangerosité des batteries Li-Po.
Une autre alternative, c'est le lithium-fer-phospate (LiFePO4). Son prix est plus élevé, mais les risques d'explosion et d'incendie sont moindre. De plus, ce type de batterie propose un nombre de cycles bien plus important (2 000 environ), ce qui lui permet d'avoir une durée de vie plus conséquente.
Une autre solution, ça serait de remplacer le lithium par autre chose. En ce moment, il y a beaucoup de gens qui travaillent sur des batteries au sodium. Cependant, même si ces technologies présentent un intérêt certain, elles sont encore loin d'être au point et doivent faire encore beaucoup de progrès, suffisamment pour devenir aussi efficaces que les batteries Li-ion. Et surtout, il sera nécessaire de faire baisser les coûts de fabrication.
Quelques consignes de sécurité pour vos batteries
De manière générale, les batteries lithium-ion sont fiables. Les cas d'explosions sont relativement rares, et on a en surtout entendu parler en 2017 parce que beaucoup de smartphones Samsung prenaient feu voire explosaient. Mais cela peut arriver avec n'importe quelle batterie lithium-ion. Voici donc quelques conseils de sécurité pour minimiser les risques.
- Utilisez toujours le chargeur recommandé afin d'éviter de trop charger votre batterie.
- Si votre chargeur est endommagé ou défectueux, remplacez-le.
- Évitez d'exposer votre batteries lithium aux sources de chaleur. Même si elles ne prennent pas feu, la chaleur a tendance à diminuer leur capacité de stockage et leur durée de vie.
- Évitez les chocs qui pourraient abîmer une batterie en la compressant ou en permettant l'échappement d'électrolyte.
Sources
https://fr.wikipedia.org/wiki/Lithium
https://fr.wikipedia.org/wiki/Accumulateur_lithium
https://fr.wikipedia.org/wiki/Accumulateur_lithium-ion
http://www.societechimiquedefrance.fr/lithium.html
https://fr.wikipedia.org/wiki/Tableau_p%C3%A9riodique_des_%C3%A9l%C3%A9ments
Toxicité du plomb
http://www.who.int/fr/news-room/fact-sheets/detail/lead-poisoning-and-health
http://www.cchst.ca/oshanswers/chemicals/chem_profiles/lead/health_lead.html
Combustion du lithium
Livres
- "Principes de chimie" de Peter William Atkins, Loretta Jones et Leroy Laverman, éditions De Boeck Supérieur.
- "Chimie générale : cours et exercices résolus", de René Didier et Pierre Grécias, éditions Tec & Doc et Lavoisier.
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