Essais abusifs de réaction et de résistance au feu de batteries Li-ions

Mercredi 13 Juillet 2022

De nos jours, les batteries lithium-ions sont au cœur de notre vie quotidienne. Mises sur le marché en 1991 par Sony, on les trouve aujourd'hui dans nos smartphones, PC portables, tablettes, cigarettes électroniques, et dans tous les EDPM, ces nouveaux modes de locomotion motorisés que sont le vélo et la trottinette électrique, l'hoverboard, le monoroue, etc.

Pourtant, l'actualité rappelle de temps en temps leur dangerosité ; s'ils sont plutôt rares, les incendies dus aux batteries Li-ions demeurent spectaculaires (appareils qui fondent, explosions…), d'autant plus qu'ils peuvent avoir des coûts en vies humaines.

Nous allons dans cet article revenir sur le fonctionnement des batteries Li-ions, pour nous demander s'il est possible de rechercher toujours plus de sécurité. Nous vous dicterons également la conduite à tenir en cas d'incendie de vos appareils électroniques dus à une batterie Li-ions défectueuse.

Comment fonctionne une batterie Li-ions ?

Une batterie lithium-ions est composée de plusieurs piles individuelles connectées les unes aux autres. Elle fournit de l’énergie par le mouvement des ions.

Chaque pile repose sur trois éléments : une électrode positive (cathode), une électrode négative (anode) et une couche liquide électronique entre les deux (électrolyte).

La cathode contient plutôt du lithium métallique, comme le dioxyde de cobalt et de lithium, tandis que l'anode contient du lithium carbonique.

L’utilisation de ces matériaux permet l’intercalation : Il s’agit de l’insertion d’une molécule entre deux autres molécules. Ainsi, les ions de lithium peuvent facilement s’insérer dans les électrodes, ou s’en retirer.

Pendant la charge, lorsqu'on apporte un courant à la batterie, des ions positifs de lithium se déplacent de l'anode à la cathode, en traversant l'électrolyte, ce qui pousse la cathode à libérer des électrons.

Inversement, quand l'appareil se décharge, les ions positifs quittent la cathode, et les électrons entreprennent le chemin inverse, et donc, délivrent de l'électricité.

L'électrolyte qui sert à isoler les deux électrodes (anode et cathode) est hautement inflammable. Elle est constituée d'un solvant organique et d'un sel conducteur. C'est pourquoi les fabricants de batteries Lithium-ions y incorporent un séparateur (matière plastique qui enrobe l’électrolyte). Celui-ci empêche les électrodes de se toucher.

Pourquoi les batteries lithium sont-elles bien adaptées aux technologies mobiles ?

Les batteries lithium-ion ont la densité de charge la plus élevée parmi tous les types de piles. Le lithium est d'une part le plus léger de tous les métaux. Il s'agit en outre de l'élément chimique le plus électro positif : l’électro positivité correspond à la capacité d’un élément à partager des électrons afin de produire des ions positifs. Le lithium perd très facilement des électrons. Ainsi, il peut naturellement produire beaucoup d’énergie.

Quels sont les dangers d'une batterie Lithium-ions ?

Durant la charge, des petits dépôts métalliques appelés “dendrites” peuvent se former au niveau de l’anode. Les ions lithium ne s’insèrent pas correctement dans l’électrode négative et forment ces dendrites qui peuvent être à l’origine d’un court-circuit, en créant des sortes de ponts conducteurs entre les deux électrodes. D’où l’utilité d’un séparateur assez épais pour éviter les courts-circuits, à l'origine d'un emballement thermique.

L'emballement thermique, ou “Thermal Runaway"

La température à l’intérieur d’une batterie est déterminée par l’équilibre entre la chaleur générée et celle dissipée par celle-ci. Une forte énergie thermique conduit à l'évaporation de l'électrolyte, créant ainsi de la chaleur supplémentaire et des gaz combustibles. Quand la pression dépasse un certain seuil, les gaz inflammables présents dans l'électrolyte (fluor, phosphore, métaux lourds…) sont libérés et forment un mélange inflammable avec l'air : des flammes apparaissent à l'extérieur de la batterie.

Principales causes d'incendie des batteries Li-ions

• Surcharge : une surcharge électrique peut se produire ici pour plusieurs raisons, par exemple avec l'utilisation d'un chargeur inadapté. On conseille de toujours utiliser le chargeur d'origine de l'appareil.
• Décharge profonde : Une recharge après un stockage prolongé à très basse tension peut entraîner un départ de feu des cellules. Si les batteries lithium-ion ne sont pas utilisées pendant une longue période, elles peuvent se décharger complètement. Si l'on tente ensuite de recharger les batteries entièrement vidées, l'énergie fournie ne peut plus être convertie correctement en raison du manque de fluide électrolytique ou de sa détérioration (par exemple par le froid, la chaleur…). Cela peut provoquer un court-circuit ou un incendie.
• Température excessive : au-delà d’une certaine température (75 à 100 °C environ), une réaction en chaîne se produit pour toutes les technologies de batterie lithium-ions.
• Dommages mécaniques : Lors de la manipulation de vos appareils contenant des batteries lithium-ion, il y a toujours un risque d’endommagement (chute sur un sol dur…). Un choc peut déchirer ou endommager le séparateur. Les deux électrodes peuvent alors entrer en contact et provoquer un court-circuit.
• Feu : Un feu externe à la batterie Li-ions peut faire grimper la température des cellules et la porter au seuil de déclenchement de l’emballement thermique. On recommande pour plus de sécurité une conception de la batterie avec des matériaux non inflammables et validation par test au feu de la réglementation automobile UN R100 révision 2.

Quels dispositifs de sécurité sont implantés sur une pile Li-ions ?

Il existe plusieurs systèmes de protection sur les batteries lithium. Ils se situent à deux niveaux : les cellules lithium (dont les fusibles) et le BMS (Battery Management System), le circuit qui gère la charge et éventuellement la décharge des cellules.

Le BMS

Le BMS est une carte électronique qui dirige la charge, et normalement la décharge, des cellules et renseigne sur certains paramètres de fonctionnement (intensité de décharge, tension minimale…). Le BMS surveille en permanence la batterie lithium et l’isole en cas de problème.

Derrière le terme BMS peuvent se cacher plus ou moins de fonctionnalités et de contrôles des batteries. Chez certains fabricants moins regardants, on n'hésite pas à équiper les piles de cartes BMS beaucoup trop simples qui ne font que résoudre les anomalies liées à la charge (et pas la décharge), et ne contrôlent pas tous les paramètres internes de la batterie Lithium-ions.

Voici certains paramètres pouvant être contrôlés par le BMS :

• Mesures du courant batterie, de la température et de l’état de charge : ces mesures permettent de limiter les risques dus à la surcharge et de résoudre les problèmes liés à l'apparition de dendrites
• Mesures de la température et détection de seuil : le bon fonctionnement du BMS provoque la déconnexion de la batterie de l’application en cas de température excessive.

Comment lutter contre un feu de batterie Lithium-ions ?

Les nouvelles générations de batteries lithium sont plus performantes (charge rapide, plus grande autonomie) mais elles sont également plus fortement soumises à la chaleur pendant leur utilisation, ce qui peut engendrer un emballement thermique et, on l'a vu, provoquer des incendies.

Des conditions inhabituelles ou abusives d’utilisation (surcharge, court-circuit, présence d’une source de chaleur extérieure …) peuvent donc provoquer des augmentations brutales de température pouvant conduire à des feux, explosions ou dégagements de produits toxiques.

Les types de batteries lithium sont assez variés et la facilité avec laquelle elles s’emballent et s’éteignent sont différentes selon leur nature.

Bon à savoir : plus la batterie est chargée, plus la puissance de l’incendie sera forte.

Quand l’incendie se déroule à l’extérieur, les dommages sont limités et la solution s'avère plutôt simple : laisser brûler (tout en prévenant les pompiers).

Les tentatives d'extinction des incendies avec des agents inertes classiques sont généralement vouées à l'échec, car les batteries Lithium-ions produisent elles-mêmes l'oxygène qui nourrit le feu.

Une des caractéristiques d’un emballement thermique de batterie Li-ion est la possibilité de ré-inflammation après un délai pouvant dépasser les 24 heures, c'est pourquoi il est essentiel de refroidir l'appareil.

Plusieurs solutions se présentent, parmi lesquelles on peut citer :

• L'extinction par l'eau (à noter qu'un grand dégagement de fumées toxiques est à prévoir.) : Le lithium étant très réactif, certains déconseillent de le mettre en contact avec l'eau. L’eau sur un feu d’accumulateur au lithium peut avoir l’effet d'aviver les flammes et de rendre son extinction beaucoup plus difficile. Cependant, des recherches récentes ont montré que de plus grandes quantités d'eau étaient capables de contenir et de combattre efficacement les incendies de lithium. Les grandes batteries, par exemple celles des voitures électriques, représentent un énorme défi pour les pompiers lorsqu'elles prennent feu.
• Le sable : il est aussi souvent évoqué pour étouffer l’apport d’oxygène et arrêter l’incendie
• La solution plus efficace serait l’utilisation de l’agent extincteur poudre (D) prévu pour stopper les feux sur des métaux. L’opérateur doit disposer d’un équipement ARI (Appareil Respiratoire Isolant) et de protections corporelles.
• De nouveaux extincteurs font leur apparition pour les feux à base de lithium. Le principe est d’avoir une matière assez fluide pour aller enrober chaque cellule, la refroidir et l’asphyxier.
• Il existe également des granulés d'extinction

Pour réduire ou ralentir les risques de propagation du feu ou la fuite de gaz toxiques, il existe des sacs spéciaux ignifugés appelés “Lipo safe bags” pour la charge et le stockage des batteries à base de lithium.

Comment réduire les risques ?

Du point de vue des fabricants de batteries lithium-ions

Les fabricants de batteries Lithium-ions ne doivent en aucun cas transiger sur la sécurité. Il s'agit de ne pas négliger l'épaisseur des séparateurs, or, pour l’instant, l’unique moyen d’améliorer l’autonomie d’une batterie est d’augmenter l’épaisseur des électrodes (anode et cathode), tout en diminuant celle du séparateur, afin de garder un volume constant.

De même, ces fabricants doivent inclure à leurs batteries Li-ions des cellules et des BMS de haute qualité, et ne pas chercher indéfiniment à réduire le temps de charge : en effet, le seul moyen d’y parvenir est d’augmenter un peu plus l’intensité du courant électrique délivré lors. De la charge, et donc de faire grimper le risque de court-circuit causé par la formation de dendrites.

Comment réduire les risques en tant qu'utilisateur de ces batteries ?

Stockez vos batteries en lithium en toute sécurité. Protégez-les du rayonnement solaire direct, et, si vous prévoyez de ne pas utiliser votre appareil pendant un certain temps (par exemple, une trottinette électrique pendant l'hiver), retirez la batterie et stockez-la à moitié pleine. Ne laissez pas votre batterie sur votre trottinette garée dans un garage non chauffé, car un trop grand froid n'est pas bon non plus : il fragmente le fluide électrolyte au travers duquel circulent les ions et les électrons.

Enfin, on l'a dit : rechargez correctement vos batteries. Utilisez bien le chargeur d'origine. La plupart des accidents se produisent quand la batterie est en charge, c'est pourquoi il faut toujours surveiller le chargement. Le processus de recharge est particulièrement critique si la batterie n'a pas été utilisée durant des mois et qu’on la recharge de nouveau pour la première fois, comme expliqué plus haut. Si une batterie était stockée dans un endroit frais, il est conseillé d'attendre qu’elle ait atteint la température ambiante avant de la recharger. 

 Essais abusifs de Réaction et de Résistance au feu des batteries Li-ions : les missions du CREPIM

Dans ses laboratoires agréés, le CREPIM teste isolément la réaction au feu et la résistance des batteries Lithium-ions.

Nous réalisons des essais dans les situations de surcharge, d'emballement thermique, de court-circuit interne et externe et de feu de combustible stimulé.

 Infrastructures de chargement

- Europe

• Coques et parois (Norme cadre IEC 61851-1)
  • EN 60695-2-10/11/12 (Glow Wire Flammability index GWFI @ 650°C)
• Prises, douilles et autres diélectriques (Norme cadre IEC 62196-1)
  • EN 60695-2-10/11/12 (Glow Wire Flammability index GWFI @ 650°C ou 850°C en fonction de l’application finale du sous -ensemble)

- USA

• Coques et parois (Norme cadre UL 2594 & 2202)
  • ASTM E 162 
  • UL 94 5V

 Prises, douilles et autres diélectriques (Norme cadre UL 2251)

• • UL 94 HB

Batteries mobiles et statiques

• E-mobilité
  • UNECE R100 & R136
• Batteries statiques
  • UL 2580, UL 1973, NF EN 62619 – liste non exhaustive
• Essais connexes : EN 50604-1 ; ISO 12405, SAE J2464