les incendies de batteries constituent une préoccupation croissante en matière de sécurité publique : voici comment réduire le risque

À l’ère électronique d’aujourd’hui, les batteries lithium-ion rechargeables sont omniprésentes.Par rapport aux versions au plomb qui dominent le marché des batteries depuis des décennies, les batteries lithium-ion peuvent se charger plus rapidement et stocker plus d’énergie pour le même poids.

Ces appareils rendent nos gadgets électroniques et nos voitures électriques plus légers et plus durables, mais ils présentent également des inconvénients.Ils contiennent beaucoup d’énergie et s’ils prennent feu, ils brûlent jusqu’à ce que toute cette énergie stockée soit libérée.Une libération soudaine d’énormes quantités d’énergie peut entraîner des explosions mettant en danger des vies et des biens.

En tant que scientifiques qui étudient production d'énergie, stockage et conversion, et ingénierie automobile, nous portons un vif intérêt au développement de batteries à forte densité énergétique et sûres.Et nous constatons des signes encourageants indiquant que les fabricants de batteries progressent vers la résolution de cet important problème technique.

Un nouveau risque d'incendie

Le transport urbain connaît une évolution transformatrice vers l’électrification.Alors que les préoccupations grandissent dans les villes du monde entier concernant le changement climatique et la qualité de l'air, véhicules électriques ont occupé le devant de la scène.

Dans le même temps, les vélos et scooters électriques transforment le transport urbain en offrant des moyens pratiques et à faibles émissions de carbone pour parcourir les rues bondées et réduire les embouteillages.De 2010 à 2022, les vélos et scooters électriques partagés – ceux appartenant aux réseaux de location – ont représenté plus d'un demi-milliard de voyages aux États-Unisvilles.Les vélos électriques privés ajoutent à ce total :En 2021, plus de 880 000 vélos électriques ont été vendus aux États-Unis, contre 608 000 voitures et camions électriques.

Les véhicules alimentés par batterie représentent une petite part d'incendies de voitures, mais Il est difficile de contrôler les incendies de véhicules électriques.En règle générale, un incendie de véhicule électrique brûle à environ 5 000 degrés Fahrenheit (2 760 Celsius), tandis qu'un véhicule à essence en feu brûle à 1 500 F (815 C).Il faut environ 2 000 gallons d’eau pour éteindre un véhicule à essence en feu ;éteindre un incendie de VE peut prendre 10 fois plus.

C’est une préoccupation majeure dans les grandes villes où les véhicules électriques sont populaires.Les services d'incendie de New York et de San Francisco signalent leur traitement plus de 660 incendies impliquant des batteries lithium-ion depuis 2019.À New York, ces incendies ont provoqué 12 morts et plus de 260 blessés de 2021 jusqu’au début 2023.De toute évidence, des pratiques de manipulation et de chargement plus sûres sont nécessaires, ainsi que des améliorations techniques des batteries.

De nombreuses batteries dans un véhicule électrique

Pour comprendre les incendies de batteries lithium-ion, il est important de connaître quelques notions de base.Une batterie contient des produits chimiques contenant de l’énergie, avec un séparateur entre ses électrodes positives et négatives.Cela fonctionne par convertir cette énergie en électricité.

Les deux électrodes d’une batterie sont entourées d’un électrolyte – une substance qui permet à une charge électrique de circuler entre les deux bornes.Dans une batterie lithium-ion, par exemple, les ions lithium portent la charge électrique.Lorsqu'un appareil est connecté à une batterie, des réactions chimiques ont lieu sur les électrodes et créent un flux d'électrons dans le circuit externe qui alimente l'appareil.

Les téléphones portables et les appareils photo numériques peuvent fonctionner avec une seule batterie, mais une voiture électrique a besoin de beaucoup plus d’énergie et de puissance.Selon sa conception, un VE peut contenir des dizaines à des milliers de piles individuelles, appelées cellules.Les cellules sont regroupées dans des ensembles appelés modules, qui à leur tour sont assemblés en packs.Un véhicule électrique standard contiendra une grande batterie contenant de nombreuses cellules.

Quelles sont les causes des incendies de batterie

Généralement, un incendie de batterie commence dans une seule cellule à l’intérieur d’une batterie plus grande.Il y a trois raisons principales pour lesquelles une batterie s’enflamme :dommages mécaniques, tels qu'écrasement ou pénétration lors d'une collision de véhicules ;dommages électriques provenant d'un élément externe ou interne court-circuit;ou une surchauffe.

Les courts-circuits de la batterie peuvent être provoqués par une mauvaise manipulation externe ou par des réactions chimiques indésirables au sein de la cellule de la batterie.Lorsque les batteries lithium-ion sont chargées trop rapidement, les réactions chimiques peuvent produire des aiguilles de lithium très pointues appelées dendrites sur l’anode de la batterie – l’électrode chargée négativement.Finalement, ils pénètrent dans le séparateur et atteignent l’autre électrode, court-circuitant la batterie en interne.

De tels courts-circuits chauffent la cellule de la batterie à plus de 212 F (100 C).La température de la batterie augmente d’abord lentement, puis d’un seul coup, pour atteindre sa température maximale en une seconde environ.

Un autre facteur qui rend les incendies de batteries lithium-ion difficiles à gérer est la production d’oxygène.Lorsque les oxydes métalliques de la cathode d’une batterie, ou de l’électrode chargée positivement, sont chauffés, ils décomposer et libérer de l'oxygène gazeux.Les incendies ont besoin d’oxygène pour brûler, donc une batterie capable de créer de l’oxygène peut alimenter un incendie.

En raison de la nature de l’électrolyte, une augmentation de 20 % de la température d’une batterie lithium-ion provoque des réactions chimiques indésirables beaucoup plus rapides, ce qui libère une chaleur excessive.Cet excès de chaleur augmente la température de la batterie, ce qui accélère les réactions.L'augmentation de la température de la batterie augmente la vitesse de réaction, créant un processus appelé emballement thermique.Lorsque cela se produit, la température dans une batterie peut passer de 212 F (100 C) à 1 800 F (1 000 C) en une seconde.

Gérer le problème de l’emballement thermique

Les méthodes visant à garantir la sécurité de la batterie peuvent se concentrer sur les conditions extérieures ou intérieures de la batterie.La protection externe implique généralement l’utilisation de dispositifs électroniques, tels que des capteurs de température et des soupapes de pression, pour garantir que la batterie n’est pas soumise à une chaleur ou à une force susceptible de provoquer un accident.

Cependant, ces mécanismes rendent la batterie plus grande et plus lourde, ce qui peut réduire les performances de l'appareil qu'elle alimente.Et ils peuvent ne pas être fiables sous des températures ou des pressions extrêmes, telles que celles produites lors d’un accident de voiture.

Les stratégies de protection interne se concentrent sur l’utilisation de matériaux intrinsèquement sûrs pour les composants de la batterie.Cette approche offre la possibilité de traiter les dangers potentiels à leur source.

Rendre l'emballement thermique dans une batterie moins intense nécessite un mélange de améliorations logicielles et matérielles.Les scientifiques travaillent au développement de cathodes qui libèrent moins d'oxygène lorsqu'elles tombent en panne ;électrolytes ininflammables; électrolytes solides, qui ne prennent pas feu et peuvent également contribuer à ralentir la croissance des dendrites ;et des séparateurs qui peuvent résister à des températures élevées sans fondre.

Une autre solution est déjà utilisée : systèmes de gestion de batterie.Il s'agit de progiciels matériels et logiciels intégrés aux packs de batteries qui peuvent surveiller les paramètres vitaux de la batterie, tels que l'état de charge, la pression interne et la température des cellules du pack de batteries.

Tout comme un médecin utilise les symptômes d'un patient pour diagnostiquer et traiter sa maladie, les systèmes de gestion de batterie peuvent diagnostiquer les conditions au sein du bloc-batterie et prendre des décisions autonomes pour éteindre les batteries présentant des points chauds ou pour modifier la répartition de la charge afin qu'aucune batterie individuelle ne tombe en panne. avoir trop chaud.

La chimie des batteries évolue rapidement, de sorte que les nouvelles conceptions nécessiteront de nouveaux systèmes de gestion des batteries.De nombreux producteurs de batteries sont former des partenariats qui rassemblent des fabricants possédant une expertise complémentaire en matière de batteries pour relever ce défi.

Les utilisateurs peuvent également prendre des mesures pour maximiser la sécurité.Utilisez l’équipement et les prises de recharge recommandés par le fabricant et évitez de surcharger ou de laisser un véhicule électrique branché pendant la nuit.Inspectez régulièrement la batterie pour détecter tout signe de dommage ou de surchauffe.Garer le véhicule loin des environnements extrêmement chauds ou froids – par exemple, garez-vous à l’ombre pendant les canicules – pour éviter les contraintes thermiques sur la batterie.

Enfin, en cas de collision ou d’accident impliquant un VE, suivez les protocoles de sécurité du fabricant et débranchez la batterie si possible pour minimiser les risques d’incendie ou d’électrocution.