Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Les batteries lithium-ion (LIB) constituent aujourd’hui la technologie dominante pour le stockage d’énergie (véhicules électriques, systèmes de stockage stationnaire (BESS), applications domestiques). Cependant, leur densité énergétique élevée et la présence d’électrolytes inflammables génèrent des risques spécifiques, principalement liés au phénomène d’emballement thermique ou thermal runaway (TR). Cet article examine les mécanismes de déclenchement et de propagation de la TR, les caractéristiques thermiques et chimiques des incendies impliquant des LIB, les défis associés à la détection précoce et les recommandations pour la conception des systèmes. Les méthodes d’essai et les priorités de recherche sont également discutées.
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Eric GUILLAUME : Directeur général, Efectis, Saint-Aubin, France
INTRODUCTION
La transition énergétique et la décarbonation des systèmes de transport et de production d’électricité ont conduit à un déploiement massif des batteries lithium-ion, devenues la technologie dominante pour le stockage électrochimique d’énergie. Leur succès repose sur une densité énergétique élevée, une bonne durabilité et une compétitivité croissante. Elles sont aujourd’hui omniprésentes : véhicules électriques, systèmes stationnaires de grande capacité (BESS), solutions de mobilité légère (trottinettes, vélos électriques) et applications domestiques.
Cependant, cette généralisation s’accompagne d’un risque incendie et explosion spécifique, lié aux caractéristiques intrinsèques de ces batteries : forte énergie stockée, électrolytes organiques inflammables, réactions exothermiques rapides en cas de défaillance. Contrairement aux combustibles conventionnels, la cinétique de dégradation des batteries lithium-ion est caractérisée par un phénomène redouté, l’emballement thermique (thermal runaway), pouvant aboutir à un dégagement massif de chaleur, de gaz toxiques et inflammables, ainsi qu’à une propagation rapide de cellule en cellule.
Les conséquences de tels événements sont particulièrement critiques dans des environnements confinés (parkings, locaux techniques, tunnels), où l’accumulation de gaz combustibles et d’espèces toxiques (HF, POF3) peut conduire à des explosions différées et compliquer l’intervention des secours. Les retours d’expérience récents montrent que les incendies de batteries entraînent non seulement des pertes matérielles importantes, mais aussi des impacts environnementaux majeurs, en raison des rejets de composés fluorés et de métaux dans les fumées et les effluents d’extinction.
Face à ces enjeux, la sécurité incendie des batteries ne peut se limiter à des prescriptions héritées des combustibles classiques. Elle nécessite une compréhension approfondie des mécanismes de déclenchement et de propagation, de la dynamique des émissions gazeuses et particulaires, ainsi que des interactions avec l’environnement. La batterie peut s’appréhender comme une succession de couches : cellule, module, pack, système, chacune disposant de caractéristiques propres et de barrières de sécurité conditionnant le comportement au feu de l’ensemble. Les stratégies de prévention doivent combiner des approches intrinsèques (conception des cellules et des packs), des dispositifs actifs (détection multicapteur, gestion thermique), des mesures de compartimentage et des systèmes intelligents de surveillance intégrant l’intelligence artificielle.
Par ailleurs, le cadre normatif et réglementaire évolue rapidement : les normes IEC, UL et ISO définissent des essais d’abus thermique, mécanique et électrique, mais des lacunes subsistent, notamment en ce qui concerne la propagation à l’échelle du pack et la caractérisation des émissions toxiques. Le règlement (UE) 2023/1542 impose de nouvelles exigences sur la traçabilité et la sécurité tout au long du cycle de vie, renforçant la nécessité d’une approche systémique couvrant la fabrication, le transport, l’usage, la seconde vie et le recyclage.
Cet article reprend des données statistiques et études de cas emblématiques, puis propose une synthèse des connaissances actuelles sur le comportement au feu des batteries lithium-ion, articulée autour des axes suivants : typologies et architectures, mécanismes d’emballement thermique, caractéristiques des gaz et particules émis, protocoles d’essai et normes en vigueur, stratégies de mitigation et perspectives technologiques. L’objectif est d’apporter une base technique et réglementaire solide pour guider la conception sécuritaire, l’évaluation des risques et la planification des mesures de prévention et d’intervention.
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MOTS-CLÉS
batteries lithium-ion Emballement thermique Sécurité incendie et explosion Systèmes de stockage d’énergie (BESS)
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Thermal runaway – Mécanismes, seuils et propagation2. Typologies de batteries et densité énergétique
2.1 Types de batteries par chimie
Les batteries modernes diffèrent par leur chimie, leur architecture et leur usage. Ces éléments influencent directement leur comportement en cas de surchauffe ou de défaillance interne. Les batteries lithium-ion se déclinent selon plusieurs chimies courantes telles que reprises au tableau 1. Les acronymes des principales chimies lithium-ion sont définis comme suit :
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LCO (lithium cobalt oxide) : oxyde de cobalt et de lithium (LiCoO2) ;
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NMC (nickel manganese cobalt oxide) : oxyde de nickel-manganèse-cobalt (LiNiMnCoO2) ;
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LMP (lithium-metal-polymer) : cellules avec anode lithium métallique et électrolyte polymère solide, sans solvant liquide. Elles opèrent chauffées ~ 60 à 80 °C pour assurer la conductivité ionique, dans des packs intégrant chauffage, BMS et isolation ;
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LFP (lithium iron phosphate) : phosphate de fer et de lithium (LiFePO4) ;
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LTO (lithium titanate oxide) : oxyde de lithium et de titane (Li4Ti5O12).
Globalement, il convient de considérer la batterie comme un système électrochimique dont les principaux éléments sont une anode, un électrolyte et une cathode. Lors de la charge, des ions migrent à l’intérieur de la batterie vers la cathode, et le trajet s’inverse lors de la décharge.
L’anode est généralement composée de graphite dans lequel les ions lithium peuvent s’insérer (lithium-ion).
L’électrolyte (cas des électrolytes liquides) est formé d’un sel de lithium, généralement du LiPF6, en solution. Les solvants majoritaires dans les cellules lithium-ion sont des carbonates organiques tels que carbonate d’éthylène (EC), carbonate de diméthyle (DMC), carbonate de diéthyle (DEC) et carbonate éthyl-méthyle (EMC). Le LiPF6 se décompose vers 107 °C. Les électrolytes semi-solides remplacent partiellement les solvants par un gel ou une matrice polymère. Les batteries à électrolyte solide éliminent la phase liquide inflammable et utilisent des matériaux céramiques ou polymères comme conducteur ionique. L’absence de liquide permet de limiter les dispositifs de confinement sous pression et de recourir à des anodes lithium-métal.
La cathode est composée de lithium métallique (cas des batteries lithium-métal) ou d’un...
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Typologies de batteries et densité énergétique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ANDERSON (J.), WILLSTRAND (O.), TEMPLE (A.) - Design rules for battery fire safety in dwellings. - RISE Report, ISBN: 978-91-90036-01-3 (2025).
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(2) - ANDERSSON (P.), BLOMQVIST (P.), LORÉN (A.), LARSSON (F.) - Investigation of fire emissions from Li-ion batteries. - SP Report 2013:15 (2013).
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(3) - HUANG (C.), TEMPLE (A.), RAMACHANDRA (V.), ANDERSON (J.), ANDERSSON (P.) - Modelling thermal runaway initiation and propagation for batteries in dwellings to evaluate tenability conditions. - RISE Report, ISBN: 978-91-89757-02-8 (electronic) (2022).
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(4) - WILLSTRAND (O.) - Thermal runaway in lithium-ion batteries: Improved test methodology and analysis. - Licentiate Thesis (2023).
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(5) - LONDON FIRE BRIGADE - E-bikes & E-scooters – The dangers - (2023-2024).
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(6) - NTSB - Auxiliary...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Test Method for Evaluating Thermal Runaway Fire Propagation in Battery Energy Storage Systems. - UL 9540A - 2022
-
Secondary lithium batteries for stationary applications – General safety requirements. - IEC 63056 - 2020
-
Safety requirements for portable sealed secondary cells and for batteries made from them. - IEC 62133-2 - 2017
-
Safety requirements for secondary lithium cells and batteries for use in industrial applications. - IEC 62619 - 2017
-
Secondary lithium-ion cells for the propulsion of electric road vehicles. - IEC 62660 - 2018
-
Batteries for Use in Electric Vehicles – Safety Requirements. - UL 2580 - 2020
-
Electrically propelled road vehicles – Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems. - ISO 12405-4 - 2018
Règlement (UE) 2023/1542 du Parlement européen et du Conseil du 12 juillet 2023 relatif aux batteries et aux déchets de batteries, et abrogeant la directive 2006/66/CE.
UN 38.3 United Nations, Recommendations on the Transport of Dangerous Goods – Manual of Tests and Criteria, 2021.
UNECE R100, Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to specific requirements for the electric power train.
HAUT DE PAGE
Efectis France : http://www.efectis.com, [email protected]
INERIS : http://www.ineris.fr
LEFAE (groupe Emitech) : https://www.emitech.fr/fr/groupe/lefae-centre-de-saint-chamond
SERMA Energy : https://www.serma-energy.com/domaines-dapplication/batteries/
CREPIM : http://www.crepim.fr/
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