Risque incendie de batteries Lithium-Ion

S’il existe de nombreux travaux sur l’emballement thermique et la combustion de cellules Li-ion de faible puissance exposées à différents types d’agression, d’origine thermique, mécanique ou électrique, peu d’études ont porté sur des cellules de plus forte puissance, sur la propagation de l’emballement thermique de cellule à cellule ou sur les conséquences du feu induit.

De plus, l’évaluation de la puissance maximale atteinte et de l’énergie totale libérée par la combustion d’une cellule ou batterie reste à ce jour un véritable verrou scientifique, alors que cette grandeur est un prérequis à la réalisation de toute étude de sécurité incendie.

L’expérience acquise par l’équipe projet l’emballement thermique de cellules et batteries Li-ion a montré la nécessité de confiner partiellement l’emballement thermique, pour le caractériser plus finement et ses conséquences :

• étudier quantitativement les conditions d’emballement de nouvelles générations de cellules et batteries et leurs conséquences sur un environnement proche en milieu confiné, représentatif de leurs conditions d’utilisations (élévation de température, flux thermiques, élévation de pression) ;
• estimer la puissance maximale et l’énergie totale dégagée lors de l’emballement thermique d’une cellule ou d’une batterie ;
• développer une technique de lutte innovante par cryogénie, susceptible d’enrayer le processus d’emballement thermique.
• étudier la toxicité pour l’homme et l’environnement des produits (solides et gazeux) émis par la batterie lors de son emballement thermique et des effluents issus de la lutte (aspersion d’eau, immersion).

Tests abusifs de cellules et batteries Li-ion

Plusieurs campagnes expérimentales portant sur l’emballement thermique de cellules et batteries Li-ion, de différentes technologies (électrolytes) et puissances, seront conduites dans une enceinte confinée.

Premiers constats

Les essais ont permis d’étudier l’influence de l’électrolyte, du niveau de charge, et de la température sur l’occurrence d’emballement thermique et ses conséquences en termes de perte de masse (niveau de dégazage), d’élévation de températures et de flux thermiques.

Des cellules unitaires ainsi que des batteries ont été exposées à une élévation de température dans une enceinte de volume réduit, comportant une instrumentation fine développée par l’équipe, ainsi que dans un dispositif de plus grand volume de 27 m³ (DIAMAN, cf image). Lorsque la température augmente, les produits inflammables de l’électrolyte s’échappent sous forme de gaz. Ce dégazage, caractéristique de « l’emballement thermique », conduisant régulièrement à une inflammation, et une propagation du feu à l’ensemble de la batterie.

 Le niveau de charge a une forte influence sur l’occurrence d’emballement et sur le délai d’emballement, ainsi que sur les conséquences thermiques. Pour résumer, plus les cellules sont chargées, plus l’emballement est rapide, et plus les élévations de températures conséquence de l’emballement sont élevées. A contrario, une cellule chargée à 50 % de SOC présente un risque d’emballement plus faible, et son emballement thermique pourra se traduire par un simple dégazage.

Les essais se poursuivent pour développer de nouvelles techniques d’emballement et éventuellement identifier des marqueurs précoces qui potentiellement utiles pour le déclenchement de la lutte.

Démonstration des tests abusifs sur des batteries au lithium

Modélisation et estimation de l’énergie dégagée par la combustion de cellules et batteries Li-ion

La détermination de la puissance maximale dégagée et surtout l’énergie totale générée par la combustion de cellules ou batteries Li-ion reste complexe du fait :

1) de l’éclatement de la cellule et la flamme de type « jet » qui présentent un caractère totalement imprévisible, ce qui rend problématique l’extraction totale des produits de combustion et la mesure sous cône calorimètre ;

2) de la présence d’oxydants puissants dans les gaz émis, le chlore et l’oxygène, rendant les techniques usuelles de calorimétries basées sur la déplétion d’oxygène et corrélatives, difficilement exploitables.

Pour pallier ce problème, le projet combinera des essais spécifiques dans l’enceinte de confinement et le développement d’un outil de simulation. Cet outil numérique sera basé sur le développement d’un modèle à une zone, où les équations de conservation de la masse et de l’énergie seront résolues de façon instationnaire.

Les premiers résultats de simulation montrent un bon accord entre les températures mesurées et simulées, quelques soient les niveaux de confinement du foyer. Le modèle développé permet par ailleurs d’accéder à des paramètres de combustion des éléments Lithium-ion. Les validations de l’algorithme se poursuivent avec pour objectif d’affiner ces paramètres.

Développement d’une technique de lutte par cryogénie

Les responsables des premiers secours, alertent régulièrement sur l’absence de moyens adaptés à la lutte d’un feu de batteries Li-ion. Seule la technique de l’immersion permet de réduire temporairement les conséquences thermiques de l’emballement. Mais cette solution, particulièrement difficile à mettre en œuvre, n’est pas satisfaisante,

Une nouvelle technique de lutte sera développée, basée sur le refroidissement par apport cryogénique, susceptible de retarder, voire interrompre, le processus de propagation de la cellule emballée vers ses voisines.

Analyses de risques thermiques et de toxicité

Différents échantillons (résidus de combustion, fumées, eaux de lutte) seront récoltés pendant les essais d’emballement de cellules et batteries puis caractérisés pour accéder à leurs propriétés structurales, physico-chimiques et chimiques. 

Une analyse des risques thermiques basée sur les résultats des étapes précédentes pourront être réalisées pour des grands volumes de batteries représentatifs de la réalité. Des études des zones à risque pourront ainsi être conduites (parkings souterrains, parcs de stockage d’énergie, …).

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