Comment anticiper les incendies dus aux batteries en centre de traitement des DEEE ?
L’objectif de l’étude est de trouver un moyen de détecter, de manière précoce, les premiers signes d’un incendie, afin d’agir au plus tôt.
En fin de vie, les appareils électriques et électroniques sont collectés, puis broyés, en vue de leur recyclage. Une opération qui, en perforant les batteries lithium-ion laissées dans les équipements jetés, entraîne régulièrement des incendies au sein des centres de traitement. Dans le cadre du projet phare ELECTRE du Carnot M.I.N.E.S, des chercheurs d’IMT Mines Alès étudient le comportement de ces batteries dans de telles conditions, afin d’identifier les premiers signes de leur emballement thermique, à l’origine des départs de feu.
Nos appareils électriques et électroniques ne peuvent pas être jetés comme n’importe quel déchet. Ils contiennent en effet des composants et des substances dangereux pour l’environnement, qui nécessitent une gestion particulière. C’est pourquoi il existe des filières spécifiques de collecte, de traitement et de recyclage des déchets d'équipements électriques et électroniques (DEEE). L’opération se déroule en plusieurs étapes : tout d’abord, les appareils en fin de vie sont regroupés dans des lieux dédiés, puis envoyés vers des centres de traitement où ils sont broyés. Ce broyat est alors transmis à des recycleurs, chargés de valoriser cette matière, composée essentiellement de polymères.
Des incendies souvent causés par les batteries lithium-ion
Malheureusement, cette gestion des DEEE fait régulièrement l’objet d’incidents ou d’accidents liés à des départs de feu, en particulier au sein des centres de traitement. La base de données ARIA (Analyse, Recherche et Information sur les Accidents), du ministère de la Transition écologique, en recense ainsi une centaine depuis 2019. Un chiffre qui connaît une forte augmentation ces dernières années, selon un rapport du Sénat de 2025.
Et il y a peu de mystère autour du principal responsable de ces incendies : il s’agit majoritairement des batteries lithium-ion. « Normalement, les individus qui apportent un équipement dans une déchetterie ou un centre de collecte sont censés retirer sa batterie, mais cette étape est parfois oubliée ou difficile à réaliser », remarque Marcos Batistella, maître de conférences HDR à IMT Mines Alès, au sein du laboratoire Polymères Composites Hybrides (PCH). « Et les centres de regroupement ou de traitement ne peuvent pas vérifier chaque appareil, ni enlever toutes les batteries qui auraient été omises. »
Or, comme le rappellent fréquemment des faits divers quelquefois dramatiques, les batteries au lithium peuvent s’échauffer, notamment en cas de choc, jusqu’à l’explosion dans certains cas. C’est ce phénomène d’emballement thermique qui se produit dans les centres de traitement : l’opération de broyage entraîne la perforation d’une ou plusieurs cellule(s) de la batterie, créant dès lors un court-circuit, puis un échauffement. Et au bout d’une certaine température, les solvants organiques de l’électrolyte, utilisés pour dissoudre le sel de lithium, s’évaporent et s’échappent sous la forme d’un gaz extrêmement inflammable. Il suffit alors d’une étincelle pour que des flammes apparaissent.
Un protocole sûr pour analyser l’échauffement d’une batterie
Dans le cadre du projet phare ELECTRE du Carnot M.I.N.E.S, le laboratoire PCH cherche à mieux comprendre ce phénomène intervenant au sein des centres de traitement des DEEE. « Le comportement d’une batterie qui s’échauffe est connu depuis longtemps, mais ici, nous nous intéressons à un contexte particulier », souligne Marcos Batistella. « En effet, dans un DEEE, la batterie n’est pas seule, elle est entourée des polymères des autres parties de l’appareil. Quelle influence une telle configuration exerce-t-elle sur les départs de feu ? » À travers la réponse à cette question, l’objectif de l’étude est de trouver un moyen de détecter, de manière précoce, les premiers signes d’un incendie, afin d’agir au plus tôt.
Pour cela, l’équipe de recherche a commencé par mettre en place un banc d’essai permettant de chauffer, de façon contrôlée, une batterie seule, en premier lieu. Un travail qui implique de concevoir, en amont, un protocole précis pour mettre les opérateurs dans les meilleures conditions. « Avec la montée en température, la batterie va finir par exploser et rejeter des gaz potentiellement toxiques », rappelle Marcos Batistella. « Par conséquent, si des précautions ne sont pas prises, les expérimentations risquent de mettre en danger la santé des opérateurs. L’élaboration du protocole constitue donc une étape indispensable, tant pour le bon déroulement de l’essai que la sécurité du personnel. » Un sujet maîtrisé au PCH, fort d’une expérience de plus de trente ans dans le domaine.
Par ailleurs, le banc d’essai nécessite une instrumentation spécifique, notamment pour contrôler précisément la montée en température et effectuer les mesures nécessaires. À cet effet, deux appareils sont utilisés : un cône calorimètre couplé à un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Le premier sert à mesurer, à partir des gaz recueillis par l’équipement, la quantité d’énergie dégagée en fonction du temps, et donc de la température appliquée. Le second permet, lui, d’analyser le flux, en identifiant les gaz émis. Enfin, l’expérimentation induit le dépôt de diverses particules sur le banc d’essai, qui sont ultérieurement examinées.
Des tests d’emballement thermique sur des batteries entourées de polymères
Grâce à ces installations et au protocole établi, de premiers essais vont donc être réalisés sur une batterie seule. « Nous avons déjà une bonne connaissance de ce qui se produit dans ces conditions, que nous allons vérifier avec les premières expérimentations », annonce Marcos Batistella. En fonction de la température, la batterie réagit ainsi de la façon suivante : à partir de 90-100 °C, les solvants commencent à s’évaporer, augmentant la pression à l’intérieur du composant. Puis, à 150-160 °C, la membrane de séparation entre les deux électrodes s’effondre. Et à 220-230 °C, la pression interne devenant trop intense, les gaz finissent par s’échapper. Dès lors, la moindre étincelle entraîne l’apparition de flammes.
Puisque ce déroulé est connu, l’intérêt majeur de l’étude intervient dans sa deuxième partie. À cette étape, il s’agit d’entourer la batterie de polymères broyés et d’additifs, afin de recréer les conditions rencontrées en centre de traitement des DEEE. « Pour cela, nous nous appuyons sur des échantillons issus de travaux passés au PCH, autour du recyclage des DEEE », précise Marcos Batistella. « Nous sommes aussi en contact avec des recycleurs qui vont nous fournir différents types de polymères, ce qui nous permettra de disposer d’une variété de compositions, représentative des équipements du marché. »
Une nouvelle fois, cette partie nécessitait la mise en place d’un protocole rigoureux et spécifique. En effet, l’ajout de polymères peut considérablement modifier l’expérimentation et le comportement de l’échantillon. Dans ces conditions, comment continuer de mesurer des variations de température à plusieurs endroits ? De plus, l’explosion survenant lors de l’essai va-t-elle aussi entraîner une projection de polymères ? Ainsi, il est à nouveau crucial d’anticiper un tel comportement, afin d’assurer la sécurité des opérateurs.
Reproduire les courts-circuits à l’origine des départs de feu
Ce protocole établi, l’équipe de recherche va, à présent, procéder aux expérimentations sur les échantillons associant batterie et polymères. Les appareils de mesure serviront alors, de nouveau, à déterminer les gaz et particules émis lors de l’emballement thermique. Dans le but d’identifier les gaz indiquant la survenue d’un échauffement, et donc de trouver les premiers signes d’un futur départ de feu. Et au-delà des différentes compositions d’échantillon, les chercheurs vont également s’intéresser à l’influence d’autres paramètres, tels que le vieillissement des matériaux.
Par la suite, ils entendent poursuivre leur étude à une échelle supérieure. « Aujourd’hui, nous sommes capables d’entourer la batterie de sorte à reproduire fidèlement un DEEE, mais au laboratoire, nous restons limités en taille », concède Marcos Batistella. « C’est pourquoi nous sommes en discussion avec un potentiel partenaire pour travailler sur des échantillons de plus grande dimension. » Dans cette configuration, le comportement observé sera-t-il identique ?
De même, les expérimentations actuelles impliquent de chauffer l’échantillon localement au niveau de la batterie, afin que l’échauffement ne provienne que de celle-ci. Une façon de se rapprocher de ce qui se produit au sein des centres de traitement des DEEE, mais sans y être tout à fait fidèle. « Dans un second temps, nous prévoyons donc de générer l’emballement thermique de l’échantillon en provoquant un court-circuit », projette Marcos Batistella. « Ainsi, nous serons au plus proche des conditions réelles d’un centre de traitement. »