Sécurité des batteries des véhicules électriques : le compromis entre densité et charge rapide

Une série d'incendies de véhicules électriques en octobre, impliquant notamment des modèles haut de gamme comme le Xiaomi SU7 Ultra, le NIO ET7, le Li Auto MEGA, le Mercedes-Benz EQE et le Porsche Taycan, a remis la sécurité des batteries au cœur des préoccupations. Les données et les preuves montrent que la course à la performance – de la densité énergétique élevée à la recharge ultra-rapide – se fait au détriment de la stabilité thermique et exige une gestion des risques plus rigoureuse (via 36kr.com).

Densité énergétique élevée : avantage en termes d'autonomie, stabilité thermique sous pression

Le passage des matériaux positifs au phosphate de fer lithié (LFP) aux matériaux ternaires au lithium (NCM/NCA) a permis d'accroître la densité énergétique et d'étendre la plage de fonctionnement. Cependant, contrairement au LFP, qui possède une structure cristalline stable et une faible propension à libérer de l'oxygène, les matériaux à haute teneur en nickel présentent une stabilité thermique réduite.

L'expérience du marché a contraint l'industrie à s'adapter : suite aux incidents liés au NCM 811 (GAC Aion S en 2020 ; General Motors a rappelé près de 70 000 véhicules en 2021 en raison des risques élevés liés aux batteries au nickel, LG Chem a versé 1 milliard de dollars d'indemnités), la configuration NCM la plus courante a évolué vers 5-2-3/6-2-2 afin d'optimiser les performances et la sécurité. La batterie LFP reste largement répandue sur le segment des véhicules de moins de 200 000 yuans en raison de son coût, tandis que les batteries tri-composants sont utilisées pour les voitures de milieu et haut de gamme (par exemple, Tesla utilise des batteries tri-composants pour la version grande autonomie et des batteries LFP pour la version standard).

De 18650 à 4680, puis CTP/CTC : efficacité volumétrique et risque lié aux grandes cellules

Outre les matériaux, les améliorations architecturales ont permis de concentrer davantage d'énergie dans un même volume. La première Tesla Model S utilisait une structure cellule-module-pack : chaque module contenait environ 444 cellules 18650, équipées de leur propre système de gestion de batterie (BMS) et de conduits de refroidissement ; un pack pouvait comporter jusqu'à 16 modules, construits avec des matériaux ignifuges. Depuis, la tendance est à la réduction, voire à la suppression, des modules (CTP – Cell to Pack – cellule-pack) et à une intégration poussée (CTC – cellule-châssis).

La taille des cellules cylindriques est passée de 18 650 à 21 700 puis à 4 680 m³. Du côté des cellules cubiques, BYD a optimisé Blade afin d’accroître le taux d’utilisation du volume d’environ 50 %, portant ainsi la capacité des cellules de 135 Ah à plus de 200 Ah. CATL, en collaboration avec Qilin, a porté ce taux à 72 %, dépassant ainsi le seuil de 63 % atteint avec la cellule 4 680. Les solutions CTC sont entrées en production de masse entre 2022 et 2023.

L'inconvénient : les cellules de grande capacité, en cas de court-circuit interne, peuvent diffuser rapidement la chaleur, créant des points chauds et une réaction en chaîne thermique plus intense. Le délai entre l'apparition de fumée et l'inflammation est donc très court et difficile à maîtriser. Outre la cellule elle-même, le processus d'assemblage des packs représente également un risque : NIO a rappelé 4 803 véhicules ES8 en 2019 en raison d'un câblage haute tension défectueux dans les packs.

La course à la recharge rapide 800 V – 10 C : une meilleure expérience, mais une marge de sécurité réduite.

La puissance de charge est égale à la tension multipliée par le courant. La première génération de voitures 400 V avait des taux de charge inférieurs à 1 C. Tesla a progressivement augmenté la puissance du Superchargeur de 90 kW (V1) à 250 kW (V3), ajoutant environ 250 km d'autonomie après 15 minutes de charge et à des taux de 2 à 2,5 C.

La Porsche Taycan a inauguré la plateforme 800 V avec une capacité de charge rapide de 270 kW : l’augmentation de la tension réduit les pertes de courant et de chaleur, améliorant ainsi la sécurité lors des recharges à haute puissance. Les constructeurs chinois ont rapidement emboîté le pas, proposant des batteries à 4C, voire plus ; des puissances de charge supérieures à 400 kW sont apparues sur le marché. En 2023, Li Auto MEGA annonçait l’utilisation de la technologie CATL Qilin 5C, avec une puissance maximale de plus de 500 kW. BYD annonçait une capacité de charge à 10C, « 10 minutes suffisent pour 600 km » ; or, selon les tests réalisés par l’industrie, le courant maximal de 10C ne dure que très peu de temps.

En contrepartie, les exigences en matière d'isolation, de protection et d'extinction d'arc augmentent considérablement ; le courant de court-circuit instantané est plus élevé et la réaction thermique peut être plus intense. À courant élevé, les ions lithium s'incorporent et se séparent rapidement, générant de la chaleur et favorisant la formation de dendrites, ce qui réduit la durée de vie de la batterie. Selon le rapport de septembre de Li Bin (NIO), la recherche de la supercharge a un coût, notamment sur la durée de vie de la batterie. NIO utilise une charge lente dans des stations d'échange de batteries, visant une durée de vie de 85 % en 15 ans. « Imaginez qu'après 8 ans d'utilisation de la voiture, vous deviez dépenser 80 000 ou 100 000 yuans (11 000 à 14 000 dollars) pour remplacer la batterie… c'est un coût inacceptable. »

Étapes clés de la recharge rapide et tension de base (par source)

Système/véhicule	Terre/tension	Puissance maximale	Note
Superchargeur Tesla V1 → V3	~400 V	90 kW → 250 kW	~250 km/15 minutes ; vitesse 2–2,5 °C
Porsche Taycan	800 V	270 kW	Réduire les pertes de courant et de chaleur
De nombreuses entreprises chinoises	800 V	>400 kW	Batterie 4C ou supérieure
Li Auto MEGA + CATL Qilin 5C	800 V	>500 kW	Annoncé en 2023
Chargeur BYD 10C	—	—	10 min ~600 km ; le courant de 10C dure très peu de temps (selon les tests industriels)

Solutions techniques actuelles : refroidissement, séparation thermoélectrique, optimisation du système de gestion technique du bâtiment (GTB).

Avant que les batteries à semi-conducteurs n'atteignent une échelle industrielle, l'optimisation des batteries liquides reste la principale orientation :

CATL Qilin place une plaque de refroidissement liquide entre les cellules pour augmenter l'échange de chaleur ; dispose une soupape de décharge de pression au bas de la cellule, séparée du pôle positif/négatif en haut pour une « séparation thermique-électrique ».
L'électrode négative revêtue de graphite à grains fins accélère l'immersion des ions, permet une charge rapide et réduit le risque de « dépôt de lithium ».
La forme allongée et fine de la BYD Blade favorise la dissipation de la chaleur ; sa structure dense assure un renforcement structurel, réduisant ainsi le besoin de poutres transversales et longitudinales classiques. Toutefois, des inquiétudes subsistent quant à la déformation des cellules ultra-longues en cas de collision.
Le système de gestion technique du bâtiment (GTB) est amélioré grâce à la surveillance en temps réel de la tension, du courant et de la température ; il déclenche une alarme en cas d’anomalie et de coupure de circuit. Cependant, un court-circuit instantané peut dépasser la vitesse d’échantillonnage/de réponse.

Batteries à semi-conducteurs : fort potentiel, obstacles importants

Les batteries à semi-conducteurs sont en développement depuis trente ans, mais leur production industrielle à grande échelle n'est pas encore arrivée, en raison des difficultés liées à la recherche et au développement, aux procédés de fabrication et au coût de la transition depuis l'écosystème des batteries liquides. La plupart des constructeurs automobiles et des fabricants de batteries ne sont pas prêts à réaliser d'importants investissements pour le moment.

Conclusion : Il n’existe pas de sécurité absolue, seulement une courbe d’apprentissage.

Un pack batterie bien équilibré est le fruit d'une combinaison judicieuse de matériaux, d'architecture, de procédés de fabrication et de système de gestion de batterie (BMS). Dans la course à la performance, les investissements en sécurité doivent être proportionnels et l'information fournie aux utilisateurs doit être transparente, sans dissimuler les différences de risques.

Les constructeurs visent à réduire le taux de défaillance à quelques parties par milliard (ppb). Cependant, pour les utilisateurs, un accident « une chance sur un milliard » représente toujours 100 % lorsqu'il survient. Chaque accident constitue à la fois un avertissement et une source d'information pour l'optimisation, à l'instar de Tesla qui a amélioré son système de gestion de batterie (BMS) grâce à la détection précoce des combustions spontanées ; les constructeurs automobiles et de batteries chinois suivent également une démarche d'apprentissage et d'amélioration similaire.

Source : https://baonghean.vn/an-toan-pin-xe-dien-danh-doi-giua-mat-do-va-sac-nhanh-10310036.html