Comprendre les différentes défaillances des batteries

Les batteries sont désormais des éléments essentiels de notre infrastructure : elles fournissent une alimentation continue aux centres de données et facilitent l'intégration de l'énergie renouvelable dans nos réseaux électriques. Notre société étant plus dépendante que jamais des batteries, la compréhension de leurs défaillances n'est pas seulement un exercice théorique ; il s'agit d'un savoir essentiel pour toute personne responsable des systèmes de batterie.

Les conséquences financières des batteries défaillantes sont importantes. Lorsqu'un système de batterie tombe en panne, les entreprises sont confrontées non seulement aux coûts de remplacement directs, mais également aux coûts indirects liés au temps d'arrêt du système, aux dommages potentiels subis par les équipements connectés et, dans certains cas, à la perte de services essentiels. Une heure d'interruption de service dans un centre de données peut coûter jusqu'à un million de dollars.

En gardant tout cela à l'esprit, explorons les principales façons dont les batteries peuvent tomber en panne.

Modes de défaillance des batteries plomb-acide

Les batteries plomb-acide sont l'un des types de batteries stationnaires les plus courants. Bien qu'elles sont fiables et que l'on maîtrise parfaitement leur mode de fonctionnement, elles peuvent tomber en panne de plusieurs façons. 

Corrosion des grilles positives

La corrosion des grilles positives est un processus chimique au cours duquel l'alliage de plomb qui constitue la grille positive de la batterie se transforme progressivement en oxyde de plomb. Ce processus s'accélère en cas de températures élevées, de surcharges et de cycles excessifs. Bien qu'un certain degré de corrosion de la grille soit normal et effectivement prévu dans la conception des batteries, une corrosion excessive peut réduire considérablement la durée de vie de la batterie, ce qui entraîne :

• Une dilatation physique des plaques
• Une résistance interne accrue
• Une réduction de la puissance
• Une défaillance éventuelle de la batterie

Sulfatation

Lors d'une décharge normale de la batterie, les matériaux actifs d'une batterie plomb-acide (plomb et dioxyde de plomb) réagissent à l'acide sulfurique et forment du sulfate de plomb. Il s'agit d'un processus naturel et nécessaire. Cependant, il existe une différence cruciale entre le sulfate de plomb formé lors d'une décharge normale et le sulfate cristallin problématique qui peut se développer dans certaines conditions. La sulfatation peut être facilement évitée et généralement éliminée, mais elle peut devenir permanente si les batteries restent à un état déchargé, si la charge est insuffisante ou si l'entretien régulier est négligé. Il en résulte :

• Une capacité réduite 
• Une résistance interne accrue
• Des dommages physiques au niveau des plaques

Courts-circuits internes

Les courts-circuits internes s'installent souvent progressivement et peuvent être difficiles à détecter jusqu'à ce que des dommages importants se produisent. Contrairement aux courts-circuits externes, qui sont généralement évidents, les courts-circuits internes se produisent discrètement à l'intérieur de la batterie et peuvent créer des conditions dangereuses.

Les courts-circuits internes dans les batteries au plomb-acide se divisent généralement en deux catégories : les courts-circuits francs et les courts-circuits progressifs. Les courts-circuits francs sont généralement causés par des amas de pâte résultant de défauts de fabrication. Les courts-circuits progressifs sont causés par des décharges excessivement profondes, qui entraînent une gravité spécifique si faible que le plomb commence à se dissoudre dans l'électrolyte. Ce plomb reste coincé dans les séparateurs, ce qui provoque des courts-circuits. Les courts-circuits francs et progressifs entraînent :

• Une perte immédiate de capacité
• Une génération excessive de chaleur
• Un éventuel emballement thermique
• Des risques d'incendie dans les cas graves
• La libération de gaz dangereux

Assèchement (spécifique aux batteries VRLA)

Même si les batteries plomb-acide à recombinaison de gaz (VRLA) ont été conçues pour être sans entretien, elles sont confrontées à un défi unique : l'assèchement. Contrairement à leurs homologues ouvertes, une fois qu'une batterie VRLA perd son électrolyte, il n'y a aucun moyen de faire l'appoint. Cela fait de l'assèchement l'un de leurs modes de défaillance les plus insidieux.

Les batteries VRLA peuvent perdre de l'électrolyte en raison d'une chaleur excessive, d'une surcharge, d'une mauvaise ventilation ou d'une tension de charge incorrecte. Une perte d'électrolyte peut entraîner :

• Une impédance interne accrue
• Une capacité réduite
• Une température de fonctionnement plus élevée
• Une perte d'efficacité
• Une perte de contact entre la plaque et l'électrolyte
• Une usure plus rapide
• Un éventuel emballement thermique
• Une durée réduite de l'alimentation de secours ;
• Des performances peu fiables
• Une hausse des coûts d'exploitation
• Une défaillance précoce

Emballement thermique (spécifique aux batteries VRLA)

L'emballement thermique est un mode de défaillance spectaculaire et dangereux, qui peut se produire sur n'importe quelle catégorie de batterie. Pour les batteries au plomb-acide, l'emballement thermique est plus courant dans les batteries VRLA que dans les batteries VLA.  Contrairement à d'autres modes de défaillance qui s'installent progressivement, l'emballement thermique peut s'intensifier rapidement et potentiellement mener à une défaillance catastrophique en quelques heures. L'emballement thermique est un processus qui s'autoalimente et au cours duquel la batterie surchauffe progressivement et produit de plus en plus de courant, jusqu'à ce qu'une défaillance se produise.

Pour éviter des défaillances catastrophiques, il est essentiel de détecter les signes annonciateurs au plus tôt, par exemple :

• Une température élevée
• Une résistance plus faible 
• Une augmentation du courant 
• Une production de gaz qui dépasse le taux de recombinaison
• Une accumulation de pression entraînant un dégazage forcé
• Une perte d'électrolyte 

Modes de défaillance des batteries lithium-ion

Les batteries lithium-ion ont révolutionné le stockage de l'énergie, mais elles présentent leurs propres modes de défaillance.

Développement de la couche SEI

La couche d'interface électrolyte-électrode (SEI) est essentielle au fonctionnement d'une batterie lithium-ion. Cependant, son épaisseur augmente au fil du temps à une vitesse influencée par différents facteurs. Le développement de la couche SEI a des conséquences directes sur l'impédance de la batterie, notamment :

• Hausse progressive de l'impédance
• Chute de tension plus élevée en charge
• Réduction de la capacité de courant maximale
• Surchauffe pendant le fonctionnement

Placage de lithium

Le placage de lithium est l'un des modes de défaillance les plus graves dans les batteries lithium-ion et peut entraîner des problèmes catastrophiques. Contrairement aux mécanismes de dégradation progressive, le placage de lithium peut créer des risques de sécurité immédiats. Il convient de tout mettre en place pour les éviter. Lorsque la batterie fonctionne normalement, les ions de lithium s'intercalent (s'insèrent) dans la structure en graphite de l'anode pendant la charge. Toutefois, dans certaines conditions, des ions s'accumulent à la surface de l'anode et des dépôts métalliques de lithium se forment. Au fil du temps, des dendrites se développent et la structure devient instable.

Le placage de lithium pose de graves problèmes de sécurité, notamment :

• Des courts-circuits internes
• Un risque d'emballement thermique
• Une éventuelle rupture du boîtier de la batterie
• Une dégradation de la capacité
• Une résistance interne accrue
• Une usure plus rapide
• Un déséquilibre des éléments de la batterie
• Un risque d'incendie

Usure non uniforme

Les processus d'usure de la batterie sont généralement considérés comme uniformes, mais la réalité est souvent plus complexe. On parle d'usure non uniforme lorsque différentes parties de la batterie vieillissent à des vitesses différentes, créant des faiblesses localisées qui peuvent avoir de graves conséquences sur les performances et la sécurité. Elle peut entraîner :

• Une réduction de la capacité globale
• Une résistance interne accrue
• Une distribution du courant inégale
• Une tension variable

Défaillances du BMS

Le système de gestion de batterie (BMS) est essentiel pour permettre aux batteries lithium-ion de fonctionner efficacement et en toute sécurité. Lorsque le BMS est défaillant, il peut compromettre à la fois les performances et la sécurité de la batterie. Il est donc essentiel de comprendre ces défaillances. Les défaillances du BMS peuvent se manifester de différentes manières, notamment par des problèmes matériels, logiciels ou d'étalonnage.

Les défaillances du BMS peuvent avoir de graves conséquences en matière de sécurité, notamment :

• Risque de surcharge
• Risque de décharge excessive
• Défaillance du contrôle de la température
• Défaillance de la limite de courant
• Absence d'avertissements critiques
• Réponse d'arrêt retardée
• Défaillance de la déconnexion d'urgence
• Gestion thermique inadéquate
• Déséquilibre des éléments de la batterie
• Emballement thermique 
• Contrainte excessive sur les éléments de la batterie
• Usure plus rapide

Problèmes touchant les chaînes de batteries

En plus des pannes des batteries individuelles, les chaînes de batteries sont sensibles à un autre mode de défaillance important, à savoir la dégradation des connexions entre les batteries si elles ne sont pas correctement entretenues. Cette dégradation est due à de nombreux facteurs, notamment la corrosion, les vibrations et les variations de température répétées. Au fur et à mesure que les connexions se dégradent, leur résistance augmente. Cela peut passer inaperçu lorsque la chaîne n'envoie qu'un faible courant d'entretien, mais lorsqu'elle doit fournir un courant plus élevé, l'augmentation de la résistance des connexions peut entraîner une surchauffe, ce qui, dans certains cas, crée un risque d'incendie.

Les connexions entre les batteries sont souvent le maillon faible d'une chaîne de batteries et leur défaillance peut avoir de graves conséquences, notamment :

• Résistance élevée
• Augmentation de la chaleur
• Capacité réduite
• Déséquilibres de tension

Tests et prévention : la meilleure protection contre les défaillances de batterie

Il est essentiel de comprendre les modes de défaillance, mais il est encore plus important d'éviter les défaillances grâce à des tests et à un entretien appropriés. Un entretien approprié et des tests réguliers avec le bon équipement ne sont pas seulement de bonnes pratiques ; ils sont essentiels pour :

• Garantir la fiabilité du système
• Protéger les investissements
• Garantir la sécurité
• Respecter les obligations
• Optimiser les performances

Nous aborderons plus en détail les méthodes de test et d'entretien dans un futur article.

Conclusion

Comme nous l'avons vu, les batteries peuvent tomber en panne de nombreuses façons, de la dégradation progressive des grilles positives des batteries plomb-acide au placage de lithium potentiellement dangereux dans les systèmes lithium-ion. La compréhension de ces modes de défaillance n'est pas seulement une préoccupation théorique : il s'agit de protéger les infrastructures essentielles, d'assurer la continuité des activités et de garantir la sécurité.

Certains modes de défaillance, comme la sulfatation ou le développement de la couche SEI, se produisent de manière lente et progressive, réduisant graduellement les performances de votre batterie. D'autres, comme l'emballement thermique ou les courts-circuits internes, peuvent frapper rapidement et de manière spectaculaire. Mais tous les modes de défaillance partagent un point commun important : ils présentent des signes avant-coureurs avant de provoquer une panne majeure.

C'est pourquoi il est important d'effectuer des tests et un entretien réguliers. Le coût de la mise en œuvre de programmes de test et d'entretien appropriés est moindre par rapport aux conséquences potentielles d'une défaillance de batterie, qui peuvent aller de remplacements coûteux à une mise à l'arrêt du système en passant par de graves incidents de sécurité.

Dans notre prochain article, nous allons découvrir comment détecter les signes avant-coureurs grâce à des tests et à un entretien appropriés. La compréhension des défaillances des batteries n'est que la première étape : il est encore plus important de savoir comment les éviter.