Batteries Lithium-ion: Risques D’incendie et Prévention des Pertes dans le Yachting (partie I)
1) Introduction/Contexte
2) Batteries Lithium-ion (Li-ion)
3) Risques Associés aux Batteries Li-ion, leurs Causes et Conséquences
4) Prévention des risques
5) Suppression des incendies
6) Conclusion
Références
1) Introduction/Contexte
Le nombre d’incendies sur les superyachts a fortement augmenté. On estime qu’entre février 2018 et novembre 2023, plus de 50 superyachts ont été complètement endommagés par un incendie. Si les causes de certains de ces incendies sont connues et n’ont rien à voir avec les batteries Li-ion, d’autres restent inexpliquées. Une explication potentielle pourrait être les batteries Li-ion, l’un des problèmes pour déterminer la cause de l’incendie est que l’intensité des flammes est telle que les yachts se transforment en boule de feu et qu’il ne reste plus rien après de tels incendies ! Selon Heike Deg-gim, cité par FT, responsable de la sécurité à l’Organisation maritime internationale de l’ONU, a déclaré : « Les batteries au lithium ont été reconnues comme étant particulièrement dangereuses en matière de risque d’incendie ».
Il existe certains cas où il a été presque établi que la cause de l’incendie était des batteries lithium-ion. Ce fut le cas du M/Y Kanga (40,88 m., GT 497, année de construction 2018) qui était assuré pour approximativement 18 millions d’euros. Un rapport d’enquête de sécurité très intéressant de l’unité d’enquête de sécurité maritime de Transport Malta a conclu que «selon toute probabilité », le siège de l’incendie était des batteries lithium-ion . Ce qui est effrayant, c’est que, selon l’équipage, aucune batterie n’était en train d’être rechargée au moment de l’incendie. Dans le garage où étaient stockées les batteries endommagées, le ventilateur d’extraction fonctionnait.
L’efficacité et la haute énergie des batteries Li-ion en ont fait l’épine dorsale de toutes les technologies nécessitant un support de batterie, de nos téléphones portables quotidiens aux véhicules électriques et même les stations spatiales. Le paradigme de décarbonation est tel que de plus en plus de jouets et d’annexes stockés et chargés sur les superyachts sont alimentés électriquement en utilisant des batteries Li-ion telles que les scooters électriques, les seabobs, les jet skis électriques, les e-foils, les annexes électriques, etc. Ce changement s’est produit, alors qu’aucune considération vraiment sérieuse n’a été accordée aux mesures de prévention des incendies ou de détection précoce à prendre pour garantir que ces mesures, valables pour les bateaux à essence, soient toujours adaptées à cette nouvelle génération de bateaux à propulsion électrique. Ceci est d’autant plus intrigant que les risques associés à la recharge des jouets/appels d’offres électroniques, pour être efficacement atténués, doivent être intégrés dès le début de la conception/construction.
2) Batteries lithium-ion (Li-ion)
En règle générale, les batteries fonctionnent toutes de la même manière : un flux d’atomes chargés électriquement, appelés ions, circule à travers un électrolyte, de l’anode à la cathode, les deux électrodes de la cellule, pour générer un courant.
Les chiffres ci-dessous (1, 2 et 4) ont été extraits du livre blanc sur les batteries Brookes Bell Lithium (*).
Les batteries Li-ion sont généralement sûres et stables; cependant, ils sont extrêmement denses en énergie. Elles peuvent stocker jusqu’à quatre fois plus d’énergie que les autres batteries. Comme nous le savons tous, plus la quantité d’énergie stockée dans une batterie est importante, plus le risque potentiel et la gravité sont élevés (**). L’amélioration technologique rapide augmente la densité énergétique de la batterie d’une manière qui rend difficile la mise en œuvre des meilleures méthodes de conception, de construction, de gestion des risques et de mesures de sécurité.
Les cellules de batterie Li-ion combinent des électrolytes hautement inflammables, des cathodes riches en oxygène et des gaz inflammables avec une énergie stockée importante. Les électrolytes sont constitués de solvants organiques et de sel de lithium. Les solvants organiques sont la principale cause d’incendies alimentés par l’oxygène présent dans les cathodes. Cet oxygène peut être libéré si des incidents spécifiques se produisent comme des courts-circuits internes ou des températures excessives, etc. Comme vous le savez, les batteries, en raison de leur cheminement chimique, ont leur propre résistance interne intrinsèque. Cette résistance est concomitante au courant électrique, lorsqu’il y a du courant qui circule, la résistance interne s’échauffe. Cette résistance peut être atténuée en utilisant de grandes plaques minces ; mais il y a toujours des limites à ce que vous pouvez faire.
Les batteries Li-ion contiennent des gaz inflammables/toxiques tels que l’hydrogène (H2), le monoxyde de carbone (CO), le méthane (CH4) et l’acide fluorhydrique (HF). Leur libération peut provoquer un incendie, une explosion ou intoxiquer les humains.
Afin d’augmenter l’énergie ou d’augmenter le courant ou la tension, les batteries Li-ion sont généralement constituées de cellules connectées. Ces cellules connectées sont connues sous le nom de module et sont incorporées à d’autres modules et composants pour former une batterie. Veuillez vous référer à la figure ci-dessous:
3) Risques associés aux batteries Li-ion, leurs causes et conséquences
a) Dangers (**)
a-1) Incendie ou emballement thermique
Comme nous l’avons vu plus haut, une batterie Li-ion peut toujours contenir un électrolyte hautement inflammable, les électrolytes contiennent généralement des cellules Li-ion avec des points d’éclair (PE) très bas comme le Carbonate de Di-Méthyle (PE = 180C), le Carbonate de Diéthyle (PE = 250C) et carbonate d’éthyle et de méthyle (PE = 250C ). Le PE est la température à laquelle un composé organique particulier dégage suffisamment de vapeur pour s’enflammer dans l’air. L’électrolyte n’est pas le seul composant de la batterie qui est combustible. Le matériau de l’anode est également combustible lorsque la batterie est fortement chargée. Dans certaines circonstances (comme un court-circuit par exemple), si la chaleur générée par le court-circuit ne peut pas se dissiper en raison de la présence dans un environnement fermé, la température augmentera rapidement jusqu’à un point d’inflammation. Ce feu se propagera rapidement d’une cellule aux cellules adjacentes puis du module aux cellules voisines. Il est presque inévitable que l’incendie se transforme en un incendie d’emballement thermique auto-entretenu. La température des cellules de la batterie augmente incroyablement rapidement (en millisecondes). L’énergie stockée dans cette batterie est libérée très soudainement. Cette réaction en chaîne crée des températures extrêmement élevées (environ 400 degrés
Celsius).
Tableau 3 : Points d’éclair et températures d’auto-inflammation mesurés de certains composants électrolytiques typiques des cellules lithium-ion
Une autre caractéristique du feu des batteries au lithium est qu’elles brûlent pendant de longues périodes et peuvent se rallumer des heures, des jours, voire des semaines plus tard, et cela peut se produire plusieurs fois.
a-2) Explosion
Si la vapeur inflammable est libérée dans un espace confiné (comme un emballage fermé, un garage non ventilé ou un conteneur de fret intermodal), il existe un risque élevé d’explosion.
a-3) Gaz toxiques
L’incendie ou l’explosion peut libérer des gaz corrosifs, irritants ou toxiques.
b) Causes (*)
Les causes des dangers peuvent être classées en trois types: abus mécaniques, électriques et thermiques.
b-1) Abus mécanique
Il s’agit d’un dommage physique externe au boîtier de la batterie Li-ion, comme une indentation ou une perforation. La déformation du boîtier pourrait conduire par exemple à des ruptures du séparateur ou du collecteur de courant permettant la mise en contact des électrodes, entraînant un court-circuit.
C’est ce qui s’est passé sur le M/Y Kanga. Il a été documenté qu’avant de prendre feu, trois des quatre batteries des planches de surf électriques avaient subi une fuite d’eau de mer. Les gens de mer avaient remarqué une fuite d’eau brunâtre de l’intérieur des batteries et avaient l’intention de les renvoyer pour réparation/remplacement. Les constructeurs ont conseillé à l’équipage de ne pas les utiliser, de ne pas les charger et de vérifier l’état interne des packs de batteries avant de les renvoyer.
Après un endommagement du boîtier de la batterie, de l’air peut pénétrer, réagir avec la solution organique (électrolyte) et créer de la chaleur.
b-2) Abus électrique
Cela peut se produire lors d’une surcharge ou d’une décharge excessive de la batterie ; ils ont tous deux des effets similaires conduisant à l’instabilité.
La surcharge des batteries peut décomposer l’électrolyte à la surface de la cathode, augmentant ainsi la température de la batterie, libérant les cathodes de l’oxygène lors de réactions secondaires génératrices de chaleur. Ces réactions peuvent provoquer la rupture de la batterie. Il y a également un excès d’ions Li qui se déposent sur l’anode pour former des dendrites de lithium qui sont des structures métalliques ressemblant à des branches qui se développent sur l’électrode négative pendant la charge. Ces dendrites en perçant le séparateur peuvent déclencher un court-circuit avec toutes les conséquences désastreuses que cela peut entraîner.
Lors d’une décharge excessive, une libération continue d’ions Li de l’anode peut oxyder le collecteur de courant en cuivre qui libère à son tour des ions cuivre. Ces ions cuivre peuvent se déposer à la surface de la cathode et déclencher un court-circuit.
De même, lorsqu’une batterie Li-ion est complètement déchargée (lorsqu’elle est stockée ou non utilisée pendant une longue période), la cathode et l’anode commencent à se décomposer. Le cuivre du collecteur de courant anodique commencera à se dissoudre dans l’électrolyte. Les ions cuivre commencent à précipiter en cuivre métallique, ce qui peut entraîner un court-circuit lorsque la batterie est à nouveau chargée.
Charger une batterie Li-ion à des températures froides (inférieures à 0 °C) peut provoquer un placage au lithium qui ne peut pas être retiré. Dans ce cas, une charge élevée peut endommager la batterie et provoquer un court-circuit, ou elle peut être plus facilement endommagée par un impact physique.
b-3) Abus thermique
Les températures extrêmes peuvent être soit une température externe, soit une température à l’intérieur de la batterie elle-même. En principe, le cyclage de la batterie ne devrait pas entraîner d’accidents de sécurité puisque la chaleur produite lors d’une utilisation normale ne devrait pas être suffisante pour provoquer une forte augmentation de température. Cependant, il existe certain cas où la chaleur s’accumule plutôt que de se dissiper, car le taux de dégagement de chaleur dépasse souvent le taux de refroidissement. Cette accumulation peut entraîner des réactions secondaires. « 600°C est la température critique au-dessus de laquelle les batteries Li-ion sont susceptibles de tomber en panne (*) ».
Les températures en conteneur multimodal peuvent atteindre le double des températures ambiantes. Au Moyen-Orient, la température ambiante peut facilement atteindre durant l’été 400C à 500C, et le double dépasse facilement la température critique évoquée ci-dessus. Il ne faut pas oublier que charger, surtout dans un espace confiné, produit plus de chaleur.
« Une contrainte thermique ou un choc peut entraîner une accumulation de pression, pouvant à terme conduire à une explosion » (*).
c) Conséquences des abus (*)
Comme nous l’avons vu, les cellules des batteries lithium-ion combinent un électrolyte inflammable avec une quantité importante d’énergie et d’oxygène stockés. Si une cellule de batterie lithium-ion crée plus de chaleur qu’elle ne peut en disperser efficacement, cela peut entraîner une libération rapide et incontrôlée d’énergie thermique, connue sous le nom d’« emballement thermique », pouvant entraîner un incendie ou une explosion.
Les températures dans les cellules des batteries lithium-ion peuvent augmenter très rapidement, de sorte que l’on n’a pas le temps de réagir.
c-1) Emballement thermique
En fait, la température peut augmenter considérablement en quelques millisecondes seulement. Une fois que ce processus commence à se produire, il est très difficile de l’arrêter et lorsqu’il devient autonome, cela signifie qu’un emballement thermique a commencé. À titre d’exemple, à bord du M/Y Kanga selon (***), vers 8 h 20, le premier officier a entendu une alarme incendie sur la passerelle. Vers 8 h 30, l’alarme incendie principale a été entendue dans tout le yacht et vers 8 h 45, de nouvelles explosions ont eu lieu. Cependant, à ce moment-là, tout l’équipage et les passagers se trouvaient à une distance sûre du yacht à moteur en feu. C’était rapide ! Lors d’un emballement thermique, la température de la batterie augmente de façon exponentielle. Ils entraînent la dégradation de différents composants au sein des cellules entraînant incendie, explosion, dégagement de gaz…
c-2) Risque d’explosion
Surtout dans les espaces confinés, lors d’un emballement thermique, les gaz inflammables, toxiques et potentiellement explosifs produits peuvent provoquer une explosion. Comme mentionné en (***) lors d’un emballement thermique, les cellules Li-ion peuvent exploser et éjecter leur contenu. Cependant, des études montrent que l’énergie produite est à peu près proportionnelle à celle du statut de chargement de la batterie, ce qui signifie que le contenu de la plupart des cellules sans charge ne sera pas éjecté, tandis que les cellules chargées à 100 % seront éjectées.
c-3) Nuage de vapeur
Si les gaz produits ne s’enflamment pas ou n’explosent pas instantanément, ils peuvent produire un nuage de vapeur. Ce dernier peut être assimilé à de la fumée mais en réalité, il s’agit d’une gamme de gaz toxiques/explosifs comme mentionné ci-dessous dans le livre blanc des batteries au lithium de Brookes Bell (*).
Hydrogène (environ 30 % à 50 %) Explosif
Monoxyde de carbone Toxique
Fluorure d’hydrogène Toxique
Chlorure d’hydrogène Toxique
Cyanure d’hydrogène Toxique
Gouttelettes de solvant organique Explosif
Éthane, méthane et autres hydrocarbures Explosif
On constate que ces vapeurs inflammables/toxiques sont tantôt plus légères, tantôt plus lourdes que l’air (par exemple le chlorure d’hydrogène se trouvera à ras le sol) dans des proportions différentes ; par conséquent, les vapeurs ne se comporteront pas toutes comme de la fumée et ne monteront pas.
Dans notre prochain article, nous verrons comment prévenir ces incendies/explosions et comment les supprimer, tout en sachant que les supprimer sera une tâche extrêmement ardue. Cet article a été largement inspiré de la liste de références ci-dessous.
