Publié le 13 juin 2022

Emballement thermique d’une pile au lithium-ion : une vraie bombe à retardement

Que ce soit dans le cadre du travail ou de la vie personnelle, on entend de plus en plus parler d’incendies liés à la défaillance des piles au lithium-ion. Pour mieux comprendre ce phénomène, voici un survol des informations pertinentes à ce sujet.

Qu’est-ce qu’une pile au lithium-ion?

Techniquement, une pile est un dispositif permettant d’accumuler de l’énergie. Une réaction chimique énergétique se produit à l’intérieur dudit dispositif et se transforme ensuite en énergie électrique.

La classification des piles se fait d’ailleurs selon le type de réaction chimique qui s’y opère. Par exemple, il existe les piles au nickel-cadmium, telles que les piles AA et AAA, ou encore celles au plomb‑acide, que l’on trouve dans la plupart des véhicules à essence. La pile au lithium-ion est une autre catégorie de pile qui, vous l’aurez deviné, utilise des ions de lithium pour produire de l’énergie.

Cette technologie est utilisée puisqu’elle permet d’accumuler une très grande quantité d’énergie dans un petit volume. On parle donc de densité énergétique élevée. C’est d’ailleurs grâce à cette technologie qu’une panoplie d’appareils intelligents portatifs, tels que les téléphones, les tablettes, etc., ont pu être développés. 

Une pile au lithium-ion est généralement composée de plusieurs cellules reliées les unes aux autres dans un emballage unique. Celui-ci peut être souple ou rigide. Chaque cellule comporte une électrode négative (anode), qui accumule l’énergie lors de la charge et qui est composée d’un collecteur de cuivre recouvert de graphite, ainsi que d’une électrode positive (cathode), qui émet des ions de lithium pendant la charge. La composition de cette électrode est plus variable ; la méthode d’assemblage fréquemment utilisée est d’apposer une couche d’oxyde de lithium sur un accumulateur d’aluminium. Les électrodes sont séparées les unes des autres par de minces films de plastique. Le tout baigne dans ce qu’on appelle un électrolyte, lequel est simplement un liquide permettant le passage des ions de lithium d’une électrode à l’autre. Ce liquide est généralement composé d’un mélange de solvant organique, tel que le carbonate d’éthylène ou le diéthyle carbonate, dans lequel sont dissous des sels de lithium (LiPF6), ce qui en fait un liquide inflammable. C’est notamment la composition chimique de cet électrolyte qui différencie les piles au lithium-ions des piles au lithium-polymère (LiPo). Dans le cas des piles au LiPo, cet électrolyte est plutôt formé d’amalgames de plastique, ce qui lui confère une certaine rigidité.

Comment une pile au lithium-ion peut-elle causer un incendie?

Vu la grande quantité d’énergie emmagasinée dans ces dispositifs, les piles au lithium-ion représentent un danger d’incendie potentiel dans certaines situations dites particulières.

Une pile au lithium-ion peut subir un emballement thermique ; c’est-à-dire que la réaction chimique qui se produit dans la pile peut s’accélérer jusqu’à ce que l’énergie produite ne puisse plus être contenue. Cette réaction étant exothermique, l’accélération de celle-ci produira rapidement une grande quantité de chaleur. La chaleur fera fondre les séparateurs de plastique et dégradera les matériaux internes, permettant notamment aux différents collecteurs de courant d’entrer en contact, ce qui libérera d’un coup toute l’énergie électrique emmagasinée. De ce fait, une pile chargée à 100 % a beaucoup plus de chance de s’emballer qu’une pile à plat. La chaleur permettra également aux solvants de l’électrolyte de passer sous forme de vapeur, prenant ainsi de l’expansion et faisant gonfler le contenant, ce qui mènera à son point de rupture dans certains cas. La rupture du contenant libérera des vapeurs inflammables, dans le cas de piles au lithium-ion, qui s’allumeront en présence de chaleur et d’oxygène, créant ainsi une boule de feu.

Quelles sont les causes possibles de l’emballement thermique d’une pile au lithium-ion?

L’emballement thermique d’une pile au lithium-ion peut avoir plusieurs causes. Une exposition à une chaleur externe en est une. Par exemple, si une pile au lithium-ion se trouve dans un incendie, la chaleur peut mener à la défaillance de la pile. 

Dans les cas où ce serait plutôt l’emballement thermique de la pile qui mènerait à l’incendie, l’endommagement mécanique correspond à une des causes fréquentes. Un choc, un coup ou une perforation de la pile permettra aux électrodes d’entrer en contact de façon très localisée. Un emballement thermique peut se produire tout de suite après le choc, si le dommage est assez important, mais peut aussi se produire après plusieurs cycles de recharge, si le dommage est très subtil. Afin de prévenir ces incidents, les piles au lithium-ion doivent subir plusieurs essais d’écrasement avant d’être mises sur le marché, mais il est tout de même possible de voir ce genre de défaillance sur le terrain.

Un autre type d’endommagement pouvant mener à l’emballement thermique est le dommage électrique ; on parle alors entre autres de recharge au-delà de sa capacité ou d’une décharge sous sa capacité minimale. La recharge au-delà de sa capacité causera la dégradation et la déformation des électrodes, menant rapidement à la défaillance. Par exemple, l’utilisation d’un chargeur inadéquat pourrait mener à un tel phénomène. Ce scénario peut survenir après le remplacement du chargeur original par un chargeur incompatible. La décharge de la pile sous son seuil minimal de tension électrique permettra également la dégradation des électrodes, mais vu le peu d’énergie emmagasinée, la défaillance ne se produira pas immédiatement. C’est plutôt lors de recharges subséquentes qu’il y a un risque d’incendie.

La défaillance causée par une mauvaise conception de la chimie de la pile ou encore à cause d’un défaut de fabrication n’est pas impossible. Ce type de défaillance apparaîtra généralement au début de la vie utile de la pile, soit directement lors de sa fabrication ou lors des premières utilisations.

Il est donc important pour l’expert(e) en sinistre qui gère un tel dossier de s’informer de la marque et du modèle de la batterie et du chargeur ; plusieurs appareils font d’ailleurs l’objet de rappels. Il ou elle doit également s’informer de l’âge, de l’utilisation de la batterie (p. ex., la fréquence d’utilisation, le type d’appareil avec lequel la pile est utilisée [marque et modèle], le temps nécessaire à la charge et la durée de vie de la recharge en ce qui concerne le fonctionnement de l’appareil) et de l’état de charge au moment de l’incendie. Finalement, il/elle doit vérifier si l’appareil a subi un choc ou tout autre type de dommages à n’importe quel moment de son utilisation.

Chez Origin, nous traitons régulièrement ce type de dossier. Il est important de comprendre que l’examen en laboratoire des restes de batteries permet de statuer sur l’avènement ou non d’un emballement thermique, mais ne permet pas nécessairement de discerner si la défaillance est en cause ou si elle résulte plutôt de l’incendie. De ce fait, les informations et les observations obtenues auprès des témoins sont d’une grande importance dans un tel dossier. Nous vous invitons à communiquer avec nous et il nous fera plaisir de nous assurer que vous avez tous les éléments en main pour parvenir à résoudre des dossiers d’incendie liés à la défaillance de piles au lithium-ion.

 
Référence : Lithium-Ion Batteries Hazard and Use Assessment – Final Report, The Fire Protection Research Foundation, NFPA, July 2011

À propos

Catherine Dicaire B. Sc., chimiste, NAFI-CFEI
Experte en incendie
Experte en chimie
Formatrice hors pair, articulée et attentionnée aux besoins des participants, Catherine est aussi active sur le terrain, où son expertise en chimie contribue à la résolution des dossiers d’incendie les plus complexes.