Batteries Lithium : quels sont les risques associés et comment les prévenir  ?

Amorcée dès 1991 par la multinationale japonaise Sony pour le développement d’un caméscope, l’utilisation et l’exploitation des batteries Lithium-ion a ensuite rapidement connu un essor à l’échelle mondiale. Les habitudes de consommation, les modes de vie et de déplacement, le développement des petits appareils électroniques et les lois environnementales ont ensuite joué des rôles décisifs dans la poursuite du développement de cette source d’énergie qui prend aujourd’hui une place considérable dans notre quotidien et dans les stratégies d’innovation des grands groupes industriels mondiaux. Afin d’accompagner les organisations dans la prévention et la maîtrise des risques liés aux batteries, particulièrement en lien avec les énergies nouvelles, nos équipes d’experts réalisent des essais de toutes sortes, proposent des services de modélisation et d’assistance, et accompagnent également nos clients au travers d’audits de vulnérabilité incendie.

Afin de comprendre les risques liés aux batteries et à leur utilisation, d’appréhender les vulnérabilités des usagers face à leur exposition, il semble tout de même important de considérer ce qu’est une batterie. La batterie comporte un ou plusieurs accumulateurs, appelés cellules, dotés chacun de deux électrodes. Lorsqu’on branche la batterie sur un appareil, cela entraîne un déplacement des électrons à cause de la différence de potentiel. Les électrons passent de l’anode à la cathode par le circuit externe. De leur côté, les ions de Lithium chargés positivement quittent l’anode pour retourner à la cathode car ils sont attirés par les charges négatives des électrons. 

L’opération de charge consiste à faire repartir les électrons dans le sens inverse, c’est-à-dire de la cathode vers l’anode. On utilise pour cela un chargeur extérieur qui est connecté à la batterie. En conséquence, les ions de Lithium passent de la cathode vers l’anode pour équilibrer la charge électrique.

Dans de nombreux modèles de batterie lithium-ion, la cathode (électrode positive) est composée d’oxydes de cobalt et d’éventuels métaux de transition lithiés (nickel, manganèse par exemple), tandis que l’anode (électrode négative) est souvent faite de graphite. L’électrolyte contient pour sa part des ions lithium en grande quantité sous la forme d’un sel dissout dans une solution organique (inflammable).

Sorte de contenant d’énergie, les batteries Lithium-ion sont présentes partout dans le quotidien des personnes et des professionnels car elles permettent à chacun d’entre eux de communiquer, travailler, se déplacer et produire de nouvelles richesses. L’omniprésence des batteries dans notre environnement moderne et en constante évolution nous oblige donc à comprendre les risques qu’elles impliquent pour en limiter autant que possible les conséquences. Les risques sont divers et multiples mais il est fondamental de comprendre qu’ils varient en fonction des technologies de batterie utilisées.

Il existe actuellement six technologies différentes de batteries lithium. Cette variété est rendue possible grâce à l’utilisation de matériaux différents pour fabriquer les électrodes présentes dans les accumulateurs. Chaque fabricant tels que le chinois CATL, LG ou Panasonic par exemple fait le choix d’une technologie particulière en fonction des performances qu’elle présente au regard de six critères : le coût, l’énergie spécifique, la durée de vie, la sécurité, la puissance spécifique et la performance.

Pour en savoir plus et découvrir les différentes technologies de batteries lithium, découvrez notre livre blanc dédié aux batteries électriques et la mobilité.

De manière générale nous pouvons distinguer trois grands risques liés aux batteries lithium-ion. Qu’il s’agisse de fuites inflammables, d’échappements de gaz ou de fumée ou même d’explosion, ces différentes menaces sont plus ou moins probables selon la densité des batteries. En effet, les risques associés aux batteries sont indéniablement liés à la compacité de ces dernières. Plus la concentration d’énergie dans un seul et même contenant est importante, plus la sécurité du système est menacée. Il est possible d’avoir des cellules très denses mais qu’il faudra cependant sécuriser, ce qui impactera la densité totale du système. Lorsque l’on évoque la densité énergétique massique d’une batterie, il faut être particulièrement vigilant et distinguer le matériau de la cellule et du système.

Les retours d’expérience et les analyses réalisées par les organismes spécialisés ont permis de mettre en évidence les types d’anomalies ou aléas favorisant les risques associés aux batteries. Globalement, les mésusages et anomalies constatés sur les batteries favorisent les risques d’incendie et d’explosion tels que: 

• Les fuites d’électrolyte inflammable 
• Les échappements de gaz, fumées, étincelles et flammes 
• Les explosions 

Phénomène très médiatisé et considéré comme danger sévère, l’explosion de la batterie qui est due à son emballement thermique reste, à l’heure actuelle, le risque le plus menaçant pour les populations et les entreprises. La démocratisation des véhicules et des petits moyens de transport électriques ainsi que la diversité des appareils du quotidien (cigarette électronique, téléphone portable, ordinateur portable) forcent les industriels et les acteurs de la prévention des risques à continuer leurs efforts d’étude et d’analyse.

Cantonnés au statut de projet grandiose et fantasque au début du XIXème siècle et désormais rentrés dans les habitudes de mobilité depuis le début des années 2000, l’utilisation et le recours aux véhicules électriques est à l’origine d’un profond bouleversement pour les populations et l’ensemble des organisations. Devenu un véritable enjeu environnemental, l’incitation des institutions envers les foyers à se séparer de leurs voitures thermiques devient de plus en plus pressante. Cependant, et bien qu’accompagnée par le concours d’une réglementation stricte, cette transformation rapide des habitudes de mobilité oblige aussi l’ensemble de la chaine des acteurs à prendre en compte les risques associés aux batteries lithium-ion qui équipent la grande majorité de ces modes de transport.

Selon l’article R321-15 du Code de la Route, tout véhicule à moteur doit faire l’objet d’une réception nationale préalablement à sa mise en circulation. Ce contrôle apparenté à une homologation atteste de la conformité technique d’un véhicule au regard de la réglementation nationale et constitue un préalable indispensable à l’obtention du certificat d’immatriculation auprès des préfectures. 

En outre, sur le territoire français, les DRIEE (direction régionale et interdépartementale de l'Environnement et de l'Énergie) ou DREAL (Direction régionale de l'Environnement, de l'Aménagement et du Logement) sont chargées de s’assurer qu’un véhicule nouveau, modifié, reconstruit ou importé est conforme aux prescriptions techniques et réglementaires concernant la sécurité et les nuisances environnementales. Ces deux organismes réalisent donc la réception et le contrôle des véhicules, soit directement, soit par l’intermédiaire d’organismes délégués comme l’Union Technique de l’Automobile et du Cycle (UTAC) ou le laboratoire agréé pour ces essais. 

De plus, en matière de réglementation spécifique aux véhicules électriques, la certification ECE R100 Rev2, délivrée par l’UTAC, est l’une des principales exigences européennes en matière d’homologation des véhicules routiers électriques. 

Ainsi, la complémentarité de ces quelques étapes obligatoires offre l’assurance que les véhicules, électriques ou non, présentent le moins le de risques possibles au moment de leur mise en circulation. 

Enfin, il est également important de considérer toutes les actions mises en place par les divers ministères et les institutions européennes pour encourager les citoyens et les industriels à délaisser au fur et à mesure les mobilités thermiques au profit des équipements électriques : bonus écologiques, vignettes crit’air, fin des moteurs thermiques à l’issue 2035…

Afin d’accompagner les acteurs du changement et les industriels dans cette transition écologique, nous sommes en mesure de proposer un large éventail de services adaptés à la prévention du risque batterie Lithium-ion. 

• Veille réglementaire pour assurer la conformité technologique et réglementaire dans un cadre en pleine mutation.

   

• Conseil et accompagnement technique pour aider à prendre les meilleures décisions stratégiques (analyse de vulnérabilité, évaluation des installations, audit de récolement, assistance à maîtrise d’ouvrage sur des projets sur-mesure).

   

• Analyse des risques sur des installations existantes ou dans le cadre de projets (rédaction des dossiers d’autorisation d’exploiter, réalisation d’études de dangers, étude de comportement au feu des structures).

   

• Essais abusifs électriques et thermiques / feu à l’échelle cellule, module, pack, véhicule, essais de pré-homologation et homologation (référentiels ECE R100 et SAE J2464 ou équivalent).

   

• Essais de systèmes d’extinction innovants sur BESS (Battery Energy Stockage Systems.

   

• Essais exploratoires de systèmes d’extinction sur des véhicules en stationnement (contexte privé).

   

• Essais d’extincteurs spécifiques sur des batteries de petites tailles.

   

• Ingénierie de sécurité incendie : modélisation des effets thermiques en cas d’incendie de stockages de batterie (entrepôts, containers), de feux de véhicules électriques, des effets toxiques en cas de dispersion des produits de décomposition, évaluation des effets domino.

• Formation à l’intervention face aux feux de batteries de véhicules électriques.

   

• Formation à la prévention des risques liés aux batteries.

Des essais de systèmes d'extinction novateurs sont actuellement en cours sur la station de stockage d'énergie à grande échelle (BESS). Ces essais visent à évaluer l'efficacité et la fiabilité de nouvelles technologies d'extinction pour répondre aux besoins croissants en sécurité et en protection incendie dans les installations de stockage d'énergie. En intégrant des méthodes avant-gardistes telles que les agents extincteurs à base d'aérosols et les systèmes de détection avancés, ces essais cherchent à repousser les limites des systèmes traditionnels d'extinction. Les résultats de ces essais pourraient contribuer de manière significative à l'amélioration de la sécurité des infrastructures énergétiques critiques tout en ouvrant la voie à de nouvelles normes de protection contre les incendies dans le domaine en constante évolution du stockage d'énergie.

Afin d’accompagner les industriels et faire progresser les travaux de recherche dans le domaine des batteries lithium, CNPP réalise depuis plusieurs années des essais pour des acteurs internationaux de l’automobile, les mobilités et la défense.

Aussi, nos équipes d’experts pilotent plusieurs types de projets dédiés aux batteries lithium en réalisant des modélisations, de l’assistance à maitrise d’ouvrage, des audits de vulnérabilité incendie ou encore des accompagnements plus globaux à la gestion des risques liés aux batteries. Pour ce faire, nous profitons du concours de nos laboratoires d’essais et des retours d’expériences de nos consultants pour améliorer continuellement nos prestations de conseil et d’audit.