Etude des risques d'emballement thermique et d'explosion des batteries Lithium-Ion : caractérisation expérimentale, modélisation et prévention
Créé le 24/11/23, modifié le 03/04/26
L’omniprésence des batteries lithium-ion dans le quotidien (téléphones, PC, outils, trottinettes, vélos…) rend essentiel de mieux comprendre les situations pouvant mener à un départ de feu. Le projet vise à caractériser les risques liés aux usages de ces batteries, à leurs conditions de stockage et de recharge, ainsi qu’à évaluer les risques et conséquences d’incendie selon différents environnements domestiques.
Comprendre le risque d’emballement
Une batterie peut s’échauffer anormalement après un choc, une surcharge, un défaut interne ou lorsqu’elle est soumise à une forte source de chaleur, d’autant plus lorsqu’elle vieillit et est utilisée fréquemment. Le projet analyse ces situations : cycles de charge et de décharge, charges inadaptées comme les surcharges électriques, les situations dégradées (chocs et conditions anormales telles qu’un percement), ainsi que des sollicitations thermiques externes.
L’état des lieux initial a permis d’identifier les différents types de batteries lithium-ion (format, chimie, applications), leurs usages à risque, les défaillances les plus fréquentes et les recommandations existantes à l’étranger pour éviter le risque incendie.
Ce que révèlent les tests à l’échelle de la cellule
Des essais abusifs (échauffement thermique, surcharge électrique, pénétration mécanique) ont été menés à l’échelle de la cellule sur différents formats de cellules (types 18650 et 21700, et types « pouch » utilisés dans un téléphone ou un ordinateur portable) et modules de batteries (trottinette). Ils ont permis de mesurer les températures critiques, les gaz émis, les flux thermiques, les projections et les conditions d’inflammation.
Les résultats des tests initiaux d’échauffement montrent qu’une batterie peut passer de 20°C à plus de 600°C en quelques secondes lorsque l’emballement thermique est initié. A l’échelle d’une cellule sans intégration dans un module de batterie, les cellules 18650 réagissent parfois plus violemment à faible taux de charge, tandis que les 21700, plus énergétiques, génèrent des réactions plus intenses et très toxiques.
Les derniers tests abusifs réalisés à l’échelle d’une cellule de batterie montrent que le niveau de charge ne prédit pas à lui seul le risque. Par exemple, pour des cellules de type « pouch », des zones sensibles ont été identifiées entre 25–50 % (risque d’échauffement) et 50–75 % (risque d’emballement en cas de choc).
Les batteries modernes, plus denses, projettent davantage de fragments incandescents pouvant atteindre des distances de 1 à 2 mètres. Le rôle du BMS est déterminant, car sans lui, en cas de surcharge électrique, la batterie peut monter jusqu’à 140 % de charge, entraînant presque toujours un emballement thermique.
Essais sur trottinettes et modules : quelles conséquences ?
Des essais à échelle réelle ont été réalisés sur deux trottinettes électriques équipées de leurs batteries ainsi que sur quatre modules de batterie de trottinette, soumis à une surchauffe. Lors de ces essais, les températures dans l’environnement immédiat ainsi qu’à distance, les flux thermiques générés et les caractéristiques de la source de feu (puissance, énergie, perte de masse) ont été mesurés, avec une évaluation des produits gazeux émis en fonction du temps. Les différents essais avaient pour objectif d’observer les conséquences sur l’emballement thermique de la batterie du matériau constituant le boitier de la batterie (i.e. son enveloppe extérieure), ainsi que de la présence ou non d’un BMS.
Ces essais ont confirmé un comportement en trois phases :
- Dégazage (CO2, CO, HF, vapeur d’eau et d’hydrocarbures légers) : ces gaz sont très toxiques et asphyxiants, surtout en espace clos ou confiné. Durant cette étape, la surface du module de batterie s’échauffe fortement, jusqu’à dépasser 500°C.
- Inflammation spontanée en quelques secondes des effluents gazeux. Les boîtiers de batterie constitués d’acier, plus résistant que ceux en plastique, favorisent une surpression interne qui rend la combustion et les rejets gazeux plus violents.
- Combustion avec jets et projections jusqu’à 2 mètres. Chaque cellule du module s’emballe à un rythme moyen de deux par minute, propageant la chaleur et les débris.
Les températures des gaz atteignent jusqu’à 800°C, et les flux thermiques de 25 à 50 kW/m² à une distance de 10 à 30 cm, suffisants pour enflammer des objets proches. Aucun signe précurseur n’est visible avant l’emballement, hormis un dégazage discret accompagné d’un léger sifflement.
Ces essais montrent également le rôle essentiel de l’enveloppe de la batterie, de son intégration à échelle réelle, et de la présence d’organes de sécurité tels que le BMS.
Aller plus loin avec la modélisation numérique
En appui des essais, et pour couvrir davantage de situations et de configurations, des scénarios d’incendie en configuration domestique ont été choisis et simulés numériquement en tenant compte des combustibles typiques d’un logement ou d’un garage (mobilier, encombrement, volume, etc.) afin d’évaluer les risques de propagation dans différentes configurations (chambre, bureau, garage, etc.). L’échauffement de la batterie et les transferts de chaleur associés à leur combustion ont été modélisés pour identifier les conséquences et les risques encourus par des objets ou matériaux (mobiliers, aménagements) à proximité.
Les simulations indiquent que la visibilité dans une pièce peut devenir quasi nulle en moins de 3 minutes et que les gaz toxiques et asphyxiants (CO, HF) atteignent rapidement des seuils dangereux rendant l’évacuation difficile voire impossible après 5 minutes. Elles montrent aussi que les projections incandescentes sont capables d’enflammer un mobilier (canapé, lit) à une distance de 1 à 2 mètres, et peuvent compromettre une évacuation au travers d’une circulation par exemple, exposant les personnes à des jets enflammés extrêmement chauds et violents.
Risques en espace clos
- La chaleur et les gaz rendent l’évacuation très difficile dans un appartement ou une pièce fermée,
- Les projections peuvent enflammer un canapé à proximité, le sol ou des objets proches,
- Les gaz dégagés peuvent provoquer une perte de connaissance en moins de 10 minutes,
- Les risques irritants et asphyxiants peuvent être critiques si la pièce n’est pas ventilée.
Pour limiter les risques d’incendie :
- Ne chargez jamais une batterie de trottinette sans surveillance.
- Utilisez un chargeur adapté et certifié.
- Évitez de stocker la batterie dans les chambres à coucher, près des meubles (surtout des lits) ou des rideaux.
- Ne stockez jamais la batterie près d’une sortie, d’une porte ou d’une issue de secours, ni dans une circulation.
- Installez des détecteurs de fumée.
- Placez la batterie dans un espace ventilé et dégagé, ou dans un local séparé éloigné des matériaux combustibles.
- Prévoyez un plan d’évacuation et éloignez toute source combustible.
- Ne touchez jamais une batterie en emballement thermique.
- Appelez les pompiers (18) après avoir évacué la pièce.
Prochaines étapes
De nouveaux essais concernent d’autres types de batteries (PC, vélos) et de nouvelles configurations de stockage seront étudiées pour évaluer les risques de propagation. Une campagne dédiée étudie l’efficacité de différentes méthodes d’extinction (eau type RIA, extincteurs Li-ion, noyage, confinement) afin d’identifier les plus sûrs selon les scénarios.
Diffusion des connaissances
À partir de ce travail, les membres du consortium prescriront des conditions d’utilisation en sécurité et des mesures à appliquer pour prévenir les départs de feu et réagir face à ces derniers, notamment :
- les comportements à adopter pour prévenir les risques d’accidents ;
- les conduites à tenir en cas de début d’incendie ;
- la prescription de techniques d’extinction et de modes opérationnels adaptés.
Organismes de recherche et partenaires
Université de Poitiers, Institut Pprime - CNRS, ISAE-ENSMA, Poitiers, France
Efectis France - Route de l'Orme des Merisiers, 91193 Saint-Aubin, France
DuoRisk – 1 Avenue René Monory – Bureau 308 – 86360 Chasseneuil du Poitou, France
Mutualisation Incendie de l’Ouest (MIO) – Service Départemental d’Incendie et de Secours de Maine et Loire (SDIS 49) – Avenue du Grand Périgné – 49070 Beaucouzé, France
Principaux intervenants
Pprime - T. Rogaume, B. Batiot, F. Richard.
Efectis - E. Guillaume, V. Dréan, M. El Houssami, M. Poisson.
DuoRisk - F. Hermouet, S. Roblin.
SDIS 49 - M. Bertrand.
Date de début / Durée
2023 - 2 ans
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