Incendie de batteries de stockage d'énergie lithium-ion : causes, caractéristiques et stratégies d'extinction !

1. Causes d'un incendie de batterie
Un incendie de batterie résulte de l'action combinée d'un comburant, de combustibles et d'une source d'inflammation. Le mécanisme d'emballement thermique d'une batterie peut donc être simplifié par un « triangle d'emballement thermique ». La combustion s'arrête dès la destruction d'un seul élément de ce triangle. Par conséquent, une bonne compréhension de ce triangle est essentielle pour éteindre efficacement les incendies de batteries.

En cas de surchauffe, de surtension électrique ou de contrainte mécanique, une élévation anormale de la température peut se produire à l'intérieur de la batterie sodium-ion. Les matériaux qui la composent subissent alors une série de réactions exothermiques, ce qui accroît encore la température et la vitesse de réaction, et peut finalement déclencher un emballement thermique. Les matériaux combustibles impliqués dans ce processus sont complexes et variés : électrode négative en graphite (solide inflammable), électrolyte (liquide inflammable), hydrogène et hydrocarbures (gaz inflammables) et métaux (métaux combustibles). De plus, la composition de ces matériaux évolue continuellement au cours de l'emballement thermique. Par ailleurs, l'évolution de ce phénomène ne dépend pas uniquement de l'apport d'oxygène ambiant ; la décomposition à haute température du matériau de l'électrode positive peut également libérer l'oxygène nécessaire. Ainsi, un incendie de batterie constitue un phénomène complexe et imprévisible.

2. Caractéristiques d'incendie de la batterie
Comparé aux incendies traditionnels, l'emballement thermique d'une batterie présente des caractéristiques uniques, que l'on peut résumer comme suit :

(1) Vitesse d'élévation de température élevée. En cas de mauvaise utilisation, la batterie subit une réaction exothermique spontanée. Après le déclenchement de l'emballement thermique, la réaction exothermique interne est intense et génère une grande quantité de chaleur en un laps de temps très court, provoquant une forte augmentation de la température de la batterie. Lors de l'emballement thermique, la vitesse d'élévation de température maximale peut dépasser 100 °C/s et la température de surface excède 1 000 °C. Une température aussi élevée dépasse largement le point d'inflammation des autres matériaux combustibles présents à l'intérieur et à l'extérieur du module de batterie, ce qui augmente considérablement le risque d'incendie.

(2) Accompagné d'un jet de flamme intense et d'un fort dégagement de chaleur. À mesure que la température augmente, la réaction chimique à l'intérieur de la batterie s'intensifie et libère une grande quantité de gaz, qui s'accumulent et entraînent une augmentation progressive de la pression interne. Lorsqu'un certain seuil est atteint, la soupape de sécurité de la batterie se rompt et éjecte une grande quantité de gaz inflammables, d'électrolytes et de particules, provoquant un incendie violent dont la hauteur des flammes peut atteindre 1 à 2 mètres.

(3) Le feu se propage rapidement. Lorsqu'un des modules de batterie tombe en panne et déclenche un emballement thermique, la forte densité des modules peut rapidement transférer la chaleur à la batterie adjacente, entraînant une propagation de l'emballement thermique au sein du module de batterie et des conséquences catastrophiques.

(4) L'incendie est difficile à éteindre et se rallume facilement. Lors de l'emballement thermique, la plupart des réactions exothermiques se produisent à l'intérieur de la batterie. En raison de l'obstruction du boîtier, l'agent extincteur peine à pénétrer à l'intérieur de la batterie et à bloquer la réaction en chaîne de l'emballement thermique. Par conséquent, pendant l'extinction, la chaleur continue d'être générée à l'intérieur de la batterie, ce qui rend l'incendie difficile à maîtriser. Même si l'incendie est éteint, si la température de la batterie n'est pas complètement abaissée pour éliminer la source de chaleur, il reste difficile d'inhiber la réaction chimique interne. Dans ce cas, les trois éléments constitutifs (source d'inflammation, combustible et comburant) ne sont pas éliminés, et l'incendie de la batterie se rallume facilement après la libération de l'agent extincteur.

(5) L'incendie présente un risque d'explosion. Les processus d'emballement thermique produisent un grand nombre de gaz, dont le CO, le CO2, le CH4, le C2H4, le H2 et des vapeurs d'électrolyte.

(6) Les gaz d'emballement thermique sont toxiques. Outre leur inflammabilité et leur explosivité, les gaz produits lors d'un incendie de batterie présentent une toxicité certaine, ce qui constitue l'une des principales causes de décès. Le monoxyde de carbone (CO) est l'un des gaz les plus toxiques présents dans l'incendie ; il entre en compétition avec l'oxygène pour se fixer à l'hémoglobine dans le sang, réduisant ainsi la capacité de transport d'oxygène de cette dernière et provoquant des lésions tissulaires dues à l'hypoxie.

3. Stratégies de lutte contre l'incendie
La fonction principale d'un agent extincteur est d'éliminer un ou deux facteurs du « triangle du feu », afin de prévenir l'apparition d'un incendie et d'en limiter la propagation. Le mécanisme d'extinction peut être divisé en quatre étapes : l'isolation, l'asphyxie, le refroidissement et l'extinction chimique. Actuellement, les agents extincteurs couramment utilisés pour lutter contre les incendies de batteries se répartissent en trois catégories : les agents gazeux (dioxyde de carbone, heptafluoropropane, perfluorohexanone, azote liquide, etc.), les agents solides (poudres, aérosols, etc.) et les agents liquides (eau pulvérisée, brouillard d'eau, mousse, etc.).
Les agents extincteurs gazeux sont largement utilisés dans les instruments de précision et lors d'incendies d'origine électrique en raison de leurs avantages : non-conductivité, absence de corrosion et de résidus, et vitesse d'écoulement rapide. De plus, ils offrent une meilleure efficacité d'extinction en espace confiné. Parmi eux, le dioxyde de carbone (CO₂) et d'autres gaz inertes agissent principalement par asphyxie. Cependant, le CO₂ peine à abaisser la température de la batterie, ce qui limite son effet refroidissant et rend difficile l'extinction complète de l'incendie. L'azote liquide, quant à lui, présente un bon pouvoir refroidissant et extincteur sur les feux de batterie, et offre de belles perspectives d'application. Le sévofluoropropane et la perfluorohexanone, alternatives performantes à l'halon, sont largement utilisés pour éteindre les incendies de batterie. Leurs mécanismes d'extinction reposent principalement sur l'asphyxie, le refroidissement et la suppression chimique. La gazéification et la décomposition permettent d'absorber la chaleur ambiante, de réduire la température de la zone d'incendie et de diluer la concentration d'oxygène. Simultanément, ils se décomposent à haute température pour produire des fluorures tels que CF3 et CF2 qui piègent les radicaux libres et interrompent la réaction en chaîne de combustion. Cependant, du HF est produit au cours de ce processus et, à forte concentration, il peut être nocif pour la santé humaine et endommager les équipements.

Les agents extincteurs solides, tels que les poudres sèches et les aérosols, présentent l'avantage d'une grande efficacité d'extinction, d'un stockage aisé et d'un faible coût. Les poudres sèches sont des poudres solides obtenues par séchage, broyage et mélange de sels inorganiques. Le principal composant des poudres sèches ABC est le phosphate d'ammonium, qui isole, asphyxie, refroidit et supprime chimiquement les flammes. Une fois libérées dans la zone de flammes, les produits de décomposition à haute température capturent les radicaux libres H· et HO·, interrompant ainsi la combustion en chaîne. Simultanément, la décomposition des poudres sèches absorbe la chaleur et produit de l'ammoniac et de la vapeur d'eau, réduisant la concentration d'oxygène dans la zone de flammes. De plus, les poudres sèches se déposent sur le combustible à haute température et fondent pour former une couche vitreuse qui isole l'oxygène et asphyxie le combustible. Cependant, la capacité de refroidissement des poudres sèches ABC est limitée et, après leur libération, la température du combustible reste élevée, ce qui peut entraîner une réinflammation.
Pour les agents extincteurs liquides, l'utilisation directe d'une grande quantité d'eau pulvérisée permet d'évacuer efficacement la chaleur et d'empêcher sa propagation incontrôlée aux cellules de batterie adjacentes. Cependant, elle peut engendrer un risque d'explosion secondaire ou de court-circuit dû au contact avec l'électrolyte, pouvant produire de l'hydrogène après endommagement de la batterie. La brumisation, grâce à la finesse des gouttelettes, accroît l'efficacité de l'évaporation, permettant un refroidissement plus efficace et une consommation d'eau réduite, tout en minimisant ces risques. Les agents extincteurs à mousse offrent non seulement une bonne isolation thermique, mais recouvrent également la surface du matériau en combustion, isolant ainsi l'oxygène et empêchant la reprise des flammes. Ils sont particulièrement adaptés pour maîtriser les incendies de type « salissement » ou les débordements d'électrolyte inflammable au sol. Néanmoins, pour chaque type d'incendie de batterie, il est crucial de choisir la méthode et l'agent extincteur appropriés afin de garantir une extinction sûre et efficace.

Les incendies de batteries de stockage d'énergie menacent non seulement la sécurité des installations, mais représentent également un risque majeur pour l'environnement et la santé du personnel. Comprendre les causes et les caractéristiques d'un incendie, ainsi que choisir l'agent extincteur et la stratégie appropriés, sont essentiels pour prévenir et maîtriser un incendie. L'utilisation de technologies d'extinction d'incendie de pointe, associée à une maintenance et une gestion quotidiennes rigoureuses, permet de réduire efficacement les risques d'incendie et de garantir le fonctionnement stable du système de stockage d'énergie.