Batteries Lithium-Ion : prévention et protection

Anticiper l’imprévisible : quand les batteries deviennent un risque incendie

Le projet s’intéresse aux différents usages, ainsi qu’aux conditions de stockage et de recharge des batteries car le risque d’incendie demeure même à charge partielle. Il évalue le risque d’un incendie impliquant des batteries dans diverses configurations bâtimentaires : propagation aux éléments adjacents, effets dominos, risques sur les personnes, les structures et les locaux.

Les phénomènes étudiés incluent notamment :

• les cycles de charge et de décharge ;
• les charges non adaptées, de type surcharge électrique ;
• les situations dégradées (choc en amont, conditions environnementales anormales telle que température ou humidité élevée) ;
• une sollicitation thermique externe (par exemple, un autre feu ou un apport de chaleur important).

Etat des lieux des batteries et incidents

Pour caractériser les multiples causes d’incendies impliquant des batteries, et dans le cadre d’une approche scientifique rigoureuse, une étude bibliographique et statistique à l’échelle nationale et internationale a été réalisée.

L’état des lieux s’articule autour de quatre objectifs :

• caractérisation des principaux types de batteries au lithium et de leurs usages ; 
• identification des usages à risque selon les types de batteries au lithium ; 
• analyse des défaillances rapportées, de leurs principaux facteurs déclencheurs et des types d’incendies qui en résultent ; 
• recommandations de prévention et de protection avec un regard sur les conseils issus d’autres pays. 

En savoir plus sur l'état des lieux

Etude du comportement au feu

Des essais d’échauffement (comme si la batterie était exposée à un feu ou à une forte chaleur) ont été réalisés sur des cellules neuves de type 18650 (très utilisées, notamment dans les outillages et vélos électriques) et 21700 (plus souvent utilisées dans les trottinettes électriques) afin de déterminer les conditions critiques pouvant conduire à leur inflammation, puis leurs caractéristiques de combustion et leurs impacts. 

Au cours des essais, une instrumentation spécifique a été mise en œuvre afin de quantifier :

les températures critiques de la cellule aux différentes phases (emballement thermique et inflammation) ;

• la perte de masse, la vitesse de perte de masse, le taux de chaleur produite ;
• les espèces gazeuses toxiques rejetées ;
• les champs de températures et les flux de chaleur dégagés ;
• le risque d’emballement thermique, d’inflammation voire d’explosion ;
• le suivi du comportement de l’élément et l’identification des situations critiques (jets, surpression, projections, percement…) ;
• la durée de l’incendie et, éventuellement, sa réactivation.

Résultats majeurs

Une batterie chauffe d’abord lentement, puis peut s’emballer en quelques secondes avec une température passant de + 50°C à plus de 600°C ! Plus elle est chargée, et notamment à 100 %, plus les flammes sont intenses et durables.

Les cellules 18650 présentent un paradoxe : à 25 % de charge, la température d’emballement est plus élevée qu’à 100 %, car la chaleur reste piégée dans la cellule. À pleine charge, les émissions de monoxyde de carbone atteignent un niveau de danger critique, imposant une évacuation immédiate.

Les cellules 21700, plus récentes et plus énergétiques, montrent une stabilité plus longue avant emballement mais des réactions beaucoup plus violentes : rejets imprévisibles, flux thermiques supérieurs (+12 %) et toxicité gazeuse renforcée.

Modélisation numérique

Sur la base d’un argumentaire et de l’analyse des données produites dans les phases précédentes du projet et en particulier lors des essais réalisés à échelle réelle impliquant des trottinettes ou des modules de batteries, des scénarios d'incendies réels ont été choisis et modélisés.

Ces scénarios tiennent 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 risques encourus par des objets ou matériaux à proximité.

Tests réalisés

Des tests d’échauffement ont été effectués sur deux trottinettes électriques identiques et quatre modules de batteries amovibles :

• Modules avec un casing en PVC, avec et sans BMS (système de gestion de la sécurité de la batterie)
• Module avec un casing en acier, équipé d’un BMS

Déroulement des essais

L’allumage est déclenché par un barreau chauffant appliqué dans la batterie. En moyenne, l’emballement thermique survient entre 2 et 2 min 30 après le début du chauffage.

1. Phase 1 – Dégazage

Les cellules libèrent du CO2, du CO, de la vapeur d’eau et des hydrocarbures légers (méthane, éthylène). Ces gaz sont toxiques et asphyxiants, surtout en espace clos ou confiné.

2. Phase 2 – Inflammation

Quelques secondes plus tard, les gaz s’enflamment spontanément. Les boîtiers en acier créent une surpression interne qui rend la combustion plus violente.

3. Phase 3 – Combustion

Les flammes apparaissent au niveau de la batterie, accompagnées de projections incandescentes et de jets de flammes pouvant atteindre 2 mètres. Chaque cellule s’emballe à un rythme moyen de deux par minute, propageant la chaleur et les débris.

Résultats clés

• Températures maximales : jusqu’à 800°C au niveau de la batterie.
• Flux thermiques : environ 50 kW/m² à 10 cm – suffisant pour enflammer des objets proches.
• Gaz émis : CO, CO2, eau, hydrocarbures – risques asphyxiants majeurs.
• Projections : lithium fondu ou débris incandescents sur un rayon de 2 mètres.

Aucun signe avant-coureur visible n’a été observé avant l’emballement, hormis un dégazage discret accompagné d’un léger sifflement.

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 5 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 trottinette batterie 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 évacuer la pièce.

Prochaines étapes

De nouveaux essais seront également réalisés sur d’autres types de batteries (formats plats, modules assemblés, et prismatiques) préalablement dégradées (abus mécaniques et électriques). 

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 feux 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.