Les tests de sécurité des batteries permettent d'enregistrer la température, le dégagement de chaleur et la propagation des flammes, mais ces paramètres n'expliquent pas entièrement ce qui se passe à l'intérieur d'une cellule ou d'un boîtier défaillant. Si les gaz libérés ne sont pas caractérisés, les laboratoires peuvent avoir des difficultés à évaluer la toxicité, l'inflammabilité, les besoins en ventilation et le moment d'apparition des événements critiques. L'analyse des gaz multicomposants permet de relier la défaillance physique à ses conséquences chimiques.

La spectroscopie FTIR améliore les tests d'emballement thermique des batteries en mesurant en continu plusieurs gaz actifs dans l'infrarouge et en reliant leurs profils de concentration à la température, à la pression et aux phénomènes de propagation. Cependant, la FTIR ne permet pas de mesurer tous les composants importants ; elle doit donc être combinée à des mesures d'hydrogène, d'oxygène, de débit et autres mesures appropriées, plutôt que d'être utilisée seule comme solution de conformité.

La valeur de l'analyseur dépend donc de plusieurs facteurs, au-delà de l'instrument lui-même. La température d'échantillonnage, la compatibilité des matériaux, le temps de réponse, l'étalonnage et la synchronisation avec le déroulement du test influent tous sur la précision des résultats d'analyse des gaz.

Pourquoi la mesure des gaz devient-elle plus importante dans les tests UL 9540A ?

Un test peut indiquer la propagation d'un incendie sans pour autant expliquer pleinement les gaz accumulés au préalable. Ce manque d'informations peut compliquer l'évaluation des scénarios de ventilation, d'inflammation et de déflagration.

Les récentes mises à jour de la norme UL 9540A ont mis l'accent sur les mesures, notamment celles des hydrocarbures totaux et de l'hydrogène. Les données relatives aux gaz peuvent aider les laboratoires à examiner :

• Le moment de la purge des cellules.
• Évolution avant et pendant la propagation de l'emballement thermique.
• Accumulation de composants inflammables.
• Risques liés aux gaz toxiques et corrosifs.
• Différences entre les compositions chimiques des cellules et leurs états de charge.
• L'effet de la conception du module, de l'unité et du boîtier.

L'analyse des gaz vient appuyer le test, mais elle ne remplace pas la procédure prescrite ni n'établit automatiquement la conformité du produit.

Quels gaz de batterie peuvent être mesurés par FTIR ?

Partir du principe qu'un seul analyseur peut mesurer tous les composants libérés crée une lacune importante. Certains gaz importants absorbent fortement le rayonnement infrarouge, tandis que d'autres ne peuvent être mesurés de manière fiable par FTIR.

En fonction de l'étalonnage et de la bibliothèque spectrale disponible, l'analyse des gaz d'échappement des batteries lithium-ion par FTIR peut couvrir des composants tels que :

• CO et CO₂.
• CH₄ et hydrocarbures sélectionnés.
• HF et HCl.
• Vapeurs liées aux électrolytes.
• COV sélectionnés.
• Vapeur d'eau et autres composés actifs dans l'infrarouge.

L'hydrogène, l'oxygène et l'azote ne présentent pas un comportement d'absorption infrarouge adapté aux mesures FTIR conventionnelles. L'hydrogène peut nécessiter un capteur à conductivité thermique ou un capteur dédié, tandis que l'oxygène requiert généralement une méthode paramagnétique, à base de zircone ou électrochimique.

Pour l'évaluation de l'inflammabilité, le dosage des hydrocarbures totaux peut également nécessiter une méthode spécifique en fonction des spécifications du test et de l'objectif du rapport.

Comment concevoir le système d'échantillonnage ?

Le raccordement direct d'un tube ordinaire à une enceinte d'essai au feu peut entraîner des résultats retardés ou faussés. Les gaz chauds peuvent se refroidir et se condenser, des composés corrosifs peuvent réagir avec des matériaux inappropriés et des particules peuvent contaminer la cellule optique.

Un système fiable d'échantillonnage de gaz chauds et humides doit prendre en compte :

1. Lieu d'échantillonnage : Positionnez l'entrée de manière à ce qu'elle représente le flux de gaz sans l'exposer à une flamme directe ni à des débris excessifs.
2. Transport chauffé : Maintenir une température de ligne suffisante pour limiter la condensation des vapeurs d'eau et d'électrolyte.
3. Compatibilité matérielle : Choisissez des tubes, des joints et des filtres qui résistent à l'HF et aux autres composants corrosifs.
4. Contrôle des particules : Protéger l'analyseur sans éliminer les composés cibles par filtration ou adsorption excessive.
5. Dilution: Utiliser une dilution contrôlée lorsque les concentrations ou les températures dépassent la plage analytique.
6. Temps de réponse: Réduisez au minimum la longueur inutile des conduites et le volume mort.
7. Décharge en toute sécurité : Acheminer le gaz échantillonné vers un système de traitement ou d'échappement approprié.

Avant tout test, il convient de vérifier l'ensemble du circuit en utilisant des gaz représentatifs plutôt que de valider uniquement l'analyseur.

Comment les données relatives aux gaz peuvent-elles contribuer à l'évaluation des risques d'incendie et d'explosion ?

Les profils de concentration, à eux seuls, ne permettent pas de déterminer si un mélange dangereux s'est formé dans l'ensemble d'un espace clos. Sans informations sur le débit, l'oxygène et la répartition spatiale, les données peuvent être techniquement exactes, mais facilement mal interprétées.

La composition des gaz d'échappement peut contribuer à l'évaluation des risques en aidant les laboratoires :

• Identifier le moment où les composants inflammables commencent à s'accumuler.
• Comparer le dégagement de gaz aux variations de pression et de température.
• Évaluer la toxicité potentielle des effluents issus de l'incendie de batteries.
• Évaluer si la ventilation réduit l'accumulation.
• Fournir les données d'entrée pour les modèles de dispersion ou de déflagration.
• Comparez les différentes compositions chimiques des cellules, leurs états de charge et leurs causes de défaillance.

La surveillance des gaz HF est particulièrement pertinente pour l'évaluation de l'exposition aux substances corrosives et toxiques, tandis que les données relatives au CO, au CH₄, à l'hydrogène et aux hydrocarbures contribuent à l'analyse des risques de combustion. L'interprétation finale doit tenir compte du contexte complet de l'essai et non se baser sur un seul seuil de concentration.

Comment les laboratoires doivent-ils valider les résultats FTIR ?

Les spectres complexes peuvent donner des résultats convaincants même lorsque le modèle d'étalonnage ou les conditions d'échantillonnage sont inadaptés. Des contrôles de qualité rigoureux sont donc indispensables avant d'utiliser ces données dans des décisions d'ingénierie.

Un plan de validation doit inclure :

• Spectres de fond dans l'environnement de test réel.
• Étalonnage spécifique aux gaz ou méthodes analytiques vérifiées.
• Contrôles de la vapeur d'eau et des interférences spectrales croisées.
• Sélection de la plage de pression pour la ventilation initiale et la libération maximale.
• Tests de récupération sur toute la ligne d'échantillonnage.
• Tests à blanc et tests de référence.
• Horodatage synchronisé des données relatives aux gaz, à la température, à la pression et à la vidéo.
• Documentation des limites de détection, de l'incertitude et des lacunes dans les données.
• Confirmation indépendante des composés sélectionnés, le cas échéant.

Chez ESEGAS, nous recommandons de définir la liste des gaz cibles, la plage de concentration attendue, l'humidité, la température et la géométrie de test avant de configurer un système FTIR.

Que doivent vérifier les laboratoires avant de choisir un analyseur ?

Choisir un instrument figurant sur une liste générale de gaz peut entraîner l'omission de certains composés, des mesures saturées ou un système d'échantillonnage inadapté. Un bref examen de l'application permet d'éviter ces problèmes avant le début du programme de tests.

Le laboratoire doit confirmer :

• Exigences applicables de l'édition UL 9540A et du projet.
• Chimie cellulaire et état de charge.
• Composés cibles et capteurs supplémentaires.
• Concentrations minimales et maximales attendues.
• Échantillonnage de la température et de l'humidité.
• Temps de réponse requis.
• Couverture de la bibliothèque optique et de l'étalonnage.
• Conditions d'écoulement et de dilution dans l'enceinte.
• Besoins en matière d'interface de données et de synchronisation temporelle.
• Manipulation sûre de l'échantillon extrait.

La spectroscopie FTIR fournit des informations précieuses, continues et multicomposantes lors des tests de sécurité des batteries, mais son principal atout réside dans son intégration à un système de mesure complet. Chez ESEGAS, nous associons une configuration FTIR adaptée à un échantillonnage approprié et à des mesures de gaz complémentaires afin que les laboratoires puissent obtenir des données sur l'emballement thermique plus complètes, interprétables et fiables.