Monsieur Igor BASTOS BEZERRA RÈGO soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés « Feu d’emballement thermique de batteries : méthodologie, instrumentation et validation à l’aide de composites de polypropylène ignifugés intumescents » Travaux dirigés par Madame Gaëlle FONTAINE et Monsieur Serge BOURBIGOT

La soutenance aura lieu le mercredi 23 septembre 2026 à 9h30, Amphithéâtre de l’Institut Chevreuil, Avenue Paul Langevin, Cité Scientifique, 59650 Villeneuve-d’Ascq

Résumé de la thèse

Les véhicules électriques (VE) sont de plus en plus reconnus comme une réponse viable à la crise du réchauffement climatique. Cependant, les batteries lithium-ion (LIB) sur lesquelles ils reposent présentent des défis de sécurité importants en raison du risque d’emballement thermique (ET) : un processus d’auto-échauffement incontrôlé déclenché par des sollicitations thermiques, mécaniques ou électriques, entraînant des défaillances catastrophiques caractérisées par des jets de flammes intenses, un dégagement de gaz toxiques et une éjection violente de particules solides issues de la dégradation des électrodes. Fournir aux passagers un temps suffisant pour évacuer le véhicule lors d’un événement d’ET, tout en répondant aux exigences de réduction de masse de l’industrie, représente un défi majeur. Les composites à base de polypropylène (PP) se distinguent comme des alternatives légères aux aciers et alliages d’aluminium traditionnellement utilisés dans les boîtiers de batteries, grâce à leur faible coût, leur faible densité et leurs propriétés mécaniques intéressantes. Cependant, leur inflammabilité inhérente nécessite le développement de stratégies avancées de retard à la flamme. Les recherches actuelles se concentrent sur les retardateurs de flamme intumescents (RFI), qui protègent le substrat polymère en formant une couche de char expansée et thermiquement isolante lorsqu’ils sont exposés à la chaleur. Afin d’améliorer l’efficacité de ces systèmes à des taux d’incorporation plus faibles, les chercheurs étudient l’utilisation de synergistes (par exemple, des additifs à base de bore et de silicium) qui renforcent l’intégrité mécanique et la résistance thermique de la structure de char dans la phase condensée. Malgré ce potentiel, l’état de l’art révèle un manque de méthodologies standardisées pour l’évaluation comparative des matériaux de boîtiers de batteries. Les protocoles de sécurité existants ne parviennent pas à reproduire les contraintes dynamiques d’un véritable incendie par ET. Bien que la norme UL 2596 (publiée pour la première fois en 2021) ait introduit des méthodologies telles que l’essai « Torch and Grit » pour simuler les contraintes combinées des jets de flammes et des éjections de solides, les mécanismes de défaillance des matériaux en fonction du temps sous ces conditions restent mal compris. Pour combler cette lacune, un banc d’essai au feu à l’échelle laboratoire a été développé afin de reproduire les contraintes thermiques et mécaniques combinées subies par les matériaux de boîtiers de batteries lors d’un ET. Des systèmes RFI sans halogènes dans des composites PP renforcés de fibres de verre ont été formulés et évalués. Le polyphosphate d’ammonium/mélamine et le pyrophosphate de pipérazine/polyphosphate de mélamine ont été étudiés, couplés au borate de zinc et aux silsesquioxanes (entre autres) comme synergistes. Les mécanismes chimiques et physiques régissant leurs performances barrières ont été caractérisés en profondeur. Les résultats démontrent que les performances des composites PP renforcés de fibres de verre face aux incendies de type ET peuvent être substantiellement améliorées par l’incorporation de RFI, tandis que certains synergistes ont un impact drastique sur leurs mécanismes même à un taux d’incorporation de 3 % en masse. Ce travail fournit à la fois une méthodologie d’essai entièrement caractérisée et des données sur le comportement des matériaux pour faire avancer le développement de matériaux de boîtiers de batteries légers et économiques, sans compromettre la sécurité.