L'électrification de la mobilité est une inflexion majeure pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et de polluants atmosphériques par le secteur des transports. Dans ce contexte, la batterie Li-ion est actuellement la technologie partagée par tous les constructeurs automobiles pour fournir le stockage d'énergie nécessaire au déploiement des véhicules électrifiés.
Cependant, les batteries Li-ion peuvent connaître des incidents aux conséquences dramatiques, désignées par le terme d'emballement thermique. Cela peut résulter de conditions de fonctionnement anormales : température excessive, déformation mécanique, surcharge électrique, court-circuit-interne. Cet emballement thermique se caractérise par une combustion violente, difficile à contrôler et entraînant l'émission de gaz toxiques. Ce problème est aujourd'hui une question centrale de sécurité qui impacte fortement la conception et les stratégies de contrôle des batteries.
Les approches numériques développées depuis 10 ans par IFPEN [1] permettent de modéliser et simuler le comportement des batteries pendant l’emballement thermique. Cependant, les modèles mis au point doivent s'appuyer sur des données expérimentales fiables pour obtenir aussi bien des éléments de compréhension qu'une description quantitative fine du phénomène.
C’est pourquoi un nouveau dispositif de caractérisation de l'emballement thermique a été mis en place : il fonctionne dans une chambre optiquement accessible et met en jeu des caméras à haute vitesse, des capteurs de pression et de température ainsi que des systèmes d'analyse de gaz. Le protocole mis au point permet de soumettre une cellule (élément unitaire de la batterie) à des conditions d'abus contrôlées et de combiner les différents types de mesures disponibles.
Les résultats obtenus à ce jour ont permis d'identifier les quatre phases successives conduisant au phénomène d’emballement thermique [2] :
- augmentation de la température de la batterie liée à des réactions de dégradation interne ;
- chute de tension aux bornes de la batterie ;
- éjection, à travers la soupape de sécurité de la cellule, d'un mélange de liquide et de gaz (dégazage) ;
- emballement thermique proprement dit : fortes réactions exothermiques conduisant à l'apparition de flammes sortant de la batterie.
De plus, la vidéo couleur à haute vitesse permet une compréhension qualitative de ces différentes phases et de leur échelle de temps. l'observation d'un jet diphasique lors du dégazage (phase 3) révèle notamment le rôle du gaz formé à l'intérieur d’une cellule : celui-ci est responsable de l’expulsion d’une partie importante de la phase liquide/solide présente dans la batterie. Pendant la dernière phase, les images acquises fournissent des indications sur l'initiation de la combustion : elle semble s’initier à l'extérieur de la cellule défectueuse à cause des particules incandescentes expulsées par celle-ci.
Ce dispositif et le protocole associé vont servir à acquérir les données nécessaires à la réalisation de modèles numériques à la fois prédictifs et plus précis. En particulier, les travaux de thèse* en cours à IFPEN visent à développer une méthodologie d'analyse quantitative des gaz émis et à comprendre en détail le mécanisme d'initiation de la combustion.
* Titre de la thèse : Développement d’un protocole de caractérisation du phénomène d’emballement thermique des batteries Li-ion.
Références :
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Sara Abada, Martin Petit, Amandine Lecocq, Guy Marlair, Valérie Sauvant-Moynot et François Huet, Combined experimental and modeling approaches of the thermal runaway of fresh and aged lithium-ion batteries, Journal of Power Sources, Elsevier, 2018, 399, pp.264-273.
>> https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.07.094
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L. Richardet, M. Bardi, M. Lecompte, V. Brocchetto, S. de Persis, Innovative experimental set up to characterize Lithium-ion batteries thermal runaway, European Combustion Meeting, 2023
Contacts scientifiques : michele.bardi@ifpen.fr, matthieu.lecomte@ifpen.fr
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