La perte de contrôle sur nos appareils du quotidien
Des smartphones aux voitures électriques, les batteries lithium-ion ont bouleversé notre quotidien grâce à leur densité énergétique exceptionnelle. Cependant, cette avancée technologique recèle une problématique embarrassante : l’emballement thermique. Ce phénomène, capable de transformer votre vélo en un véritable brasier, ne relève pas de la magie. Il s’agit d’une réaction chimique implacable que nous allons décortiquer pour vous, afin de mieux comprendre pourquoi nos appareils peuvent parfois devenir de véritables dangers incontrôlables.
Comment sont structurées nos batteries ?
Pour appréhender une catastrophe, il est essentiel de comprendre au préalable ce qui constitue la normalité. Une batterie au lithium-ion n’est pas à un réservoir passif : c’est un véritable réacteur chimique en attente. C’est en quelque sorte un mille-feuille enroulé sur lui-même. D’un côté se trouve l’anode, généralement composée de graphite. De l’autre côté, la cathode, constituée d’oxydes métalliques complexes intégrant du lithium, du cobalt ou du manganèse. Entre les deux, l’électrolyte circule : un liquide conducteur chargé en sels de lithium, permettant aux ions de se déplacer.
Un élément, souvent sous-estimé, joue pourtant un rôle fondamental : le séparateur. Il s’agit d’une fine membrane polymère, poreuse et fragile, qui évite le contact direct entre l’anode et la cathode. Si ces deux électrodes venaient à se toucher, l’énergie accumulée serait immédiatement libérée sous forme de chaleur, provoquant ce qu’on appelle un court-circuit. En temps normal, les ions lithium circulent tranquillement à travers ce séparateur, permettant ainsi le stockage et le déstockage de l’énergie dans des conditions contrôlées et stables. Cependant, cet équilibre demeure précaire et, avec une densité énergétique aussi élevée, la moindre faille dans cette structure microscopique peut déclencher une réaction en chaîne aux conséquences catastrophiques.
Une menace microscopique : les dendrites
L’ennemi principal de la batterie ne provient pas toujours de l’extérieur, mais se développe souvent en son sein. Pendant les cycles de charge, notamment lorsque celle-ci est trop rapide ou réalisée à basse température, les ions lithium peuvent rencontrer des difficultés à s’intégrer correctement dans la structure du graphite de l’anode. Plutôt que de s’insérer convenablement, ils s’accumulent à la surface sous une forme métallique. Ce phénomène est désigné par les chimistes comme étant le « lithium plating ».
Ce dépôt métallique ne reste pas uniforme. Il tend à s’agglomérer en des structures en forme d’aiguilles, appelées dendrites. On peut les comparer à de minuscules stalactites de lithium qui se développent lentement, cycle après cycle, au sein de la cellule. Ces dendrites à l’échelle du nanomètre, poursuivent leur croissance jusqu’à pouvoir percer le séparateur. Une fois le séparateur transpercé, un micro court-circuit se produit. Cela engendre un point de contact qui génère une chaleur intense, un foyer thermique imperceptible de l’extérieur. L’explosion ne se déclenche pas immédiatement, mais le compte à rebours est amorcé.
La décomposition de la couche S.E.I.
Avant que la batterie ne s’embrase, une réaction chimique souterraine se déclenche dès que la température interne franchit un seuil critique, situé généralement entre 90°C et 120°C. À ce moment-là, une fine membrane protectrice appelée S.E.I. (Solid Electrolyte Interphase), qui enveloppe l’anode, commence à se dégrader. Cette couche, essentielle pour assurer la durabilité de la batterie, subit alors une décomposition dite exothermique. Ceci signifie que la destruction de la couche S.E.I. génère elle-même de la chaleur. La batterie commence alors à s’échauffer de manière autonome, sans intervention extérieure.
C’est le début de l’emballement thermique. La température augmente rapidement et, aux alentours de 130°C, le séparateur en polymère cède sous l’effet de la chaleur, fondant et se contractant. Les électrodes entrent alors en contact direct sur une grande surface, provoquant un court-circuit généralisé. Toute l’énergie électrique emmagasinée est libérée soudainement sous forme de chaleur intense. À ce stade, la batterie ne fonctionne plus comme un composant électrique, mais devient une véritable bombe thermique prête à exploser.
L’auto-alimentation du feu par l’oxygène interne
Ce qui distingue nettement l’emballement thermique d’un incendie classique lié au bois ou à l’essence c’est que dès que la température interne dépasse les 200°C, la cathode, constituée d’oxydes métalliques, entame un processus de décomposition chimique. Cette rupture moléculaire libère alors de l’oxygène pur au cœur de la cellule hermétiquement scellée.
En chimie des incendies, on étudie le triangle du feu : un combustible, une source de chaleur et un comburant (souvent l’oxygène) sont nécessaires pour déclencher une combustion. En général, pour maîtriser un feu, on le prive d’oxygène. Cependant, dans le cas d’un emballement thermique, une batterie produit son propre oxygène. Elle peut ainsi brûler sans dépendre de l’air ambiant. Cela rend l’extinction d’un feu de batterie particulièrement complexe. Même plongée dans l’eau ou recouverte de mousse, la réaction chimique persiste avec intensité car tous les éléments nécessaires à la combustion sont déjà contenus dans son boîtier métallique. La batterie se consume alors de manière interne, avec une puissance extraordinaire, projetant des flammes semblables à celles d’un chalumeau.
La toxicité des gaz libérés
L’apparence des flammes peut être terrifiante. Mais le véritable danger réside dans ce qui est invisible. Lorsque l’électrolyte liquide s’évapore et brûle, il ne se limite pas à produire une épaisse fumée noire. Il libère également un mélange chimique extrêmement toxique. Parmi les gaz émis figurent notamment le monoxyde de carbone (CO), mortel et sans odeur, ainsi que d’autres composés fluorés particulièrement nocifs.
Le composé de lithium le plus couramment utilisé est l’hexafluorophosphate de lithium (LiPF6). Lorsqu’il se dégrade sous l’effet de températures élevées, il réagit avec les traces d’humidité présentes pour libérer du fluorure d’hydrogène (HF), un gaz hautement corrosif et dangereux pour la santé, tant au niveau des voies respiratoires que de la peau. L’inhalation des émanations provenant d’une batterie en combustion, même durant un court instant, peut entraîner des dommages irréversibles. Il est essentiel d’informer le grand public : en cas de dégagement de gaz ou de fumée suspecte issue d’un appareil électronique, la priorité absolue doit être de s’éloigner immédiatement afin d’éviter toute inhalation de ces vapeurs toxiques, plutôt que de tenter de sauver l’appareil. La dangerosité de ces gaz réside également dans leur effet différé, car les symptômes peuvent parfois apparaître plusieurs heures après l’exposition.
Une seule issue : le refroidissement
Face à une réaction qui s’entretient d’elle-même, élaborer une stratégie de lutte devient une tâche complexe. Étant donné qu’il est impossible d’étouffer le feu en coupant l’oxygène, car celui-ci est généré par la cathode, la seule option physique envisageable reste un refroidissement intense. Il s’agit d’éliminer la chaleur plus rapidement que la réaction chimique n’en génère. C’est alors une véritable course contre la montre sur le plan thermodynamique.
C’est pourquoi les pompiers mobilisent des quantités d’eau considérables lorsqu’ils interviennent sur des incendies impliquant des véhicules électriques. L’objectif principal n’est pas de priver les flammes d’oxygène, mais de saturer les cellules afin d’amener leur température en dessous du seuil critique où les matériaux commencent à se décomposer. Tant que cette température demeure élevée, une réaction en chaîne peut se relancer, parfois même plusieurs heures ou plusieurs jours après que le feu semble maîtrisé. Ce phénomène porte le nom de rallumage tardif. Tant que les réactifs sont présents et que la température repart à la hausse, le cycle dangereux peut redémarrer.
Le rôle essentiel du B.M.S.
Heureusement, nos appareils ne fonctionnent pas sans surveillance. Entre la chimie capricieuse des batteries et leur utilisation par l’utilisateur, une vigilance électronique s’impose : le B.M.S., ou système de gestion de batterie. Ce mini-ordinateur intégré à chaque batterie moderne assure un suivi constant de la tension de chaque cellule, tout en surveillant de près la température de celles-ci.
Le B.M.S. joue un rôle crucial en veillant à la stabilité chimique. Dès qu’il repère une anomalie, telle qu’une vitesse de recharge excessive ou une montée préoccupante de la température, il peut immédiatement interrompre le circuit électrique. Son action empêche ainsi la batterie d’atteindre des seuils critiques où les réactions chimiques deviennent irréversibles. Les incidents les plus graves surviennent souvent lorsque ce dispositif est défectueux ou, pire encore, absent, comme cela peut se produire avec certains produits d’importation bon marché ou des réalisations bricolées. Une batterie dépourvue de B.M.S. s’apparente à une roulette russe chimique. Pour garantir la sécurité, la qualité de l’électronique est tout aussi essentielle que celle de la composition chimique.
Face aux dangers liés aux électrolytes liquides inflammables, les chercheurs concentrent leurs efforts sur un objectif ambitieux : la batterie tout solide. En substituant le liquide par une céramique ou un verre conducteur, on élimine l’élément clé favorisant les incendies tout en empêchant la formation physique de dendrites. Cette avancée technologique offrirait des dispositifs presque impossibles à faire exploser. Cependant, en attendant l’avènement de cette révolution industrielle, les batteries lithium-ion restent notre meilleure option.
Des solutions pour le stockage des batteries
Prévenir le danger lié au stockage des batteries lithium-ion devient dès lors un défi industriel. Béralde Industries travaille en partenariat avec des sociétés innovantes en matière de sécurité incendie. N’hésitez pas à nous consulter pour une mise en relation adaptée à vos besoins.
