Nouvelles Stratégies contre l’Emballement Thermique des Batteries
Alors que les véhicules électriques connaissent une adoption mondiale croissante, la sécurité de leurs batteries lithium-ion reste une préoccupation majeure pour les constructeurs automobiles, les régulateurs et les consommateurs. Parmi les défis les plus pressants se trouve l’emballement thermique — une réaction en chaîne auto-entretenue à l’intérieur des cellules qui peut conduire à des incendies ou des explosions. Des recherches récentes menées par Chen Guohe, Lyu Peizhao, Li Menghan et Rao Zhonghao de l’Université de Technologie du Hebei offrent une analyse complète de la façon dont l’emballement thermique se propage dans les modules de batteries et évaluent des stratégies de pointe pour en atténuer les risques. Leurs conclusions, publiées dans Energy Storage Science and Technology, éclairent les voies vers des systèmes de batteries pour véhicules électriques plus sûrs et plus résilients.
L’emballement thermique commence lorsque des réactions secondaires internes dans une cellule lithium-ion — comme la décomposition de la couche d’interface d’électrolyte solide (SEI) ou des réactions entre la cathode et l’électrolyte — génèrent de la chaleur plus rapidement qu’elle ne peut être dissipée. Cela déclenche un effet domino : la hausse des températures accélère d’autres réactions exothermiques, conduisant à des pics de température rapides, une génération de gaz et, dans les cas graves, à une ventilation ou à une ignition de la cellule. Bien que les véhicules électriques modernes intègrent des systèmes de gestion de batterie sophistiqués, la propagation de l’emballement thermique d’une cellule aux cellules voisines dans un pack peut compromettre un module entier, posant des risques de sécurité significatifs.
Les chercheurs soulignent que comprendre les mécanismes de propagation est aussi vital que de prévenir l’événement initial. La chaleur se propage par trois voies principales : la conduction via les boîtiers des cellules et les interconnexions, la convection par les gaz chauds et les matériaux évacués, et le rayonnement par les flammes ou les surfaces incandescentes. Selon la géométrie de la batterie — cylindrique, prismatique ou en pochette — le mode dominant de transfert de chaleur varie. Par exemple, dans les modules prismatiques densément tassés, la conduction à travers le boîtier en aluminium représente la majorité du transfert de chaleur vers les cellules adjacentes. En revanche, les cellules cylindriques espacées de près peuvent subir un chauffage radiatif significatif, surtout en présence de flammes.
Une multitude de facteurs influencent la rapidité et l’étendue de la propagation de l’emballement thermique. La chimie de la batterie joue un rôle crucial. Les cellules avec des cathodes riches en nickel comme le NCM811 présentent une propagation plus rapide et plus violente comparé à celles utilisant du phosphate de fer et de lithium (LFP), qui est intrinsèquement plus stable thermiquement. L’état de charge (SOC) importe également — un SOC plus élevé signifie plus d’énergie chimique stockée disponible pour alimenter les réactions exothermiques. Des expériences montrent qu’une cellule en pochette NCM de 10 Ah à 100 % de SOC peut déclencher les cellules voisines en moins de deux minutes, alors que la même cellule à 20 % de SOC peut ne pas propager du tout.
La conception physique du pack de batterie module davantage le risque. La topologie de connexion — que les cellules soient câblées en série, en parallèle ou dans des configurations hybrides — affecte à la fois le comportement électrique et thermique pendant une défaillance. Les connexions parallèles, bien que bénéfiques pour la distribution du courant en fonctionnement normal, peuvent exacerber l’emballement thermique en permettant une redistribution du courant qui surchauffe les cellules adjacentes. Une étude citée dans la revue a constaté qu’un module cylindrique 1S10P a subi une propagation complète en quelques minutes après la défaillance d’une seule cellule, tandis qu’une configuration 10S1P n’a montré aucune propagation dans des conditions identiques.
L’agencement des batteries influence aussi la dynamique de propagation. L’empilement vertical, commun dans de nombreuses plateformes de véhicules électriques, permet aux jets de flammes et aux gaz chauds d’une cellule défaillante inférieure de frapper directement les cellules au-dessus, accélérant la propagation vers le haut. En revanche, les dispositions en brique ou décalées peuvent perturber les trajectoires directes des flammes et augmenter la distance que la chaleur doit parcourir, ralentissant ou arrêtant ainsi les défaillances en cascade. Les chercheurs ont démontré que de telles interventions géométriques pourraient contenir efficacement l’emballement thermique within a single module, empêchant un effondrement à l’échelle du système.
Les conditions environnementales ajoutent une autre couche de complexité. À haute altitude ou dans les applications aérospatiales, la pression ambiante réduite modifie les caractéristiques de combustion et le transfert de chaleur. Contre-intuitivement, les environnements à basse pression peuvent soit supprimer soit accélérer la propagation, selon la chimie des cellules et la configuration du module. Par exemple, les modules LFP ont montré un risque de propagation accru en dessous de 70 kPa, tandis que les modules NCM523 ont exhibé une propagation réduite dans les mêmes conditions. Cela souligne le besoin d’une validation de sécurité spécifique à l’application, surtout à mesure que les véhicules électriques se développent dans des environnements opérationnels divers.
Dans ce contexte, l’équipe de recherche évalue systématiquement les stratégies de gestion thermique conçues pour interrompre la propagation. Les méthodes de refroidissement passives et actives offrent chacune des avantages et des compromis distincts.
Le refroidissement par air, bien que simple et peu coûteux, offre une tamponisation thermique limitée pendant les événements d’emballement. Cependant, un flux d’air forcé — particulièrement un vent longitudinal — peut supprimer significativement le développement des flammes. Une expérience a constaté qu’un flux d’air dépassant 4,5 m/s éliminait les flammes visibles après ventilation, réduisant les risques d’ignition secondaire. Bien qu’insuffisant comme solution autonome pour les packs à haute énergie, le refroidissement par air peut servir de mesure complémentaire dans les applications à plus faible risque.
Les systèmes de refroidissement liquide, largement adoptés dans les véhicules électriques premium, offrent une capacité supérieure d’évacuation de la chaleur. Le refroidissement liquide indirect — où le caloporteur circule dans des canaux adjacents aux cellules — peut retarder la propagation mais souvent ne peut pas l’empêcher une fois que l’emballement s’est initié. Les plaques froides à microcanaux et serpentines améliorent les performances, mais nécessitent des débits élevés (par exemple, 96 L/h) pour supprimer efficacement l’élévation de température dans les cellules adjacentes. Crucialement, la rapidité de la réponse du système compte : augmenter le débit du caloporteur immédiatement après la détection d’une anomalie peut réduire les températures de pic dans les cellules voisines de plus de 100 °C, gagnant un temps critique pour l’intervention.
Plus prometteur est le refroidissement par immersion directe, où les cellules sont submergées dans des fluides diélectriques tels que l’huile de transformateur, l’huile de silicone ou des fluorocarbures conçus comme le Novec 649. Ces fluides absorbent la chaleur directement depuis les surfaces des cellules et suppriment la combustion en limitant l’accès à l’oxygène. Dans un test, un module en pochette NCM622 de 60 Ah submergé dans du Novec 649 a montré des températures de surface plafonnées à 184 °C pendant un emballement induit par surcharge — bien en dessous des 500–800 °C typiques dans l’air — et n’a exhibé aucune flamme ou propagation. Les systèmes par immersion éliminent aussi le besoin de plaques froides complexes, simplifiant potentiellement la conception du pack.
Les matériaux à changement de phase (PCM) offrent une tamponisation thermique passive en absorbant de grandes quantités de chaleur pendant la fusion. Cependant, les PCM organiques traditionnels comme la paraffine sont inflammables, posant un risque d’incendie supplémentaire. Pour résoudre ceci, les chercheurs ont développé des composites ignifuges — mélangeant des PCM avec des additifs comme l’hydroxyde d’aluminium, le polyphosphate d’ammonium ou la mélamine. Ces formulations retardent le début de l’emballement thermique de plusieurs minutes et réduisent la vitesse de propagation. Par exemple, un PCM avec un mélange 10:6:3 de phosphate d’ammonium, de mélamine et de pentaérythritol a prolongé le temps de propagation dans un module en pochette NCM de 10 Ah de 90 secondes. Les PCM inorganiques, comme le trihydrate d’acétate de sodium, éliminent l’inflammabilité mais font face à des défis de séparation de phase et de surfusion, nécessitant une encapsulation ou une structuration composite.
Les matériaux à haute conductivité thermique — composites de graphite, plaques d’aluminium ou mousses métalliques — peuvent redistribuer la chaleur loin des points chauds, empêchant les pics de température localisés. Pourtant, dans les grands modules à haute énergie, ces matériaux peuvent inadvertamment accélérer la propagation en conduisant la chaleur plus efficacement vers les cellules voisines. Ainsi, leur utilisation doit être soigneusement calibrée. Inversement, les matériaux d’isolation thermique agissent comme des barrières. Les aérogels, particulièrement les variantes à base de silice, exhibent une conductivité thermique ultra-faible (<0,02 W/m·K) et une stabilité au-dessus de 600 °C. Une feuille d'aérogel de 6,9 mm a bloqué avec succès la propagation dans un module à haute teneur en nickel (NCMA) avec des températures de surface dépassant 800 °C. De même, des panneaux de microsphères de verre creux (HGM) de seulement 3 mm d'épaisseur ont arrêté l'emballement dans des cellules prismatiques NCM811 de 51 Ah.
Reconnaissant les limites des approches à méthode unique, les chercheurs explorent de plus en plus des systèmes hybrides. Combiner une isolation en aérogel avec un refroidissement liquide, par exemple, tire parti de la capacité de l’isolation à retarder le transfert de chaleur et de la capacité du caloporteur à éliminer l’énergie sur la durée. Une conception hybride a maintenu les températures des cellules adjacentes en dessous de 90 °C pendant un événement de défaillance triple cellule. Un autre système intégrait du PCM, des plaques d’aluminium et un écoulement liquide — améliorant l’uniformité de température en fonctionnement normal tout en fournissant une défense thermique multi-étages pendant les abus.
Pour l’avenir, les auteurs identifient trois directions de recherche clés. Premièrement, une compréhension mécaniste plus profonde des processus d’éventage et de combustion pendant l’emballement — particulièrement le rôle des particules solides et des électrolytes aérosolisés — est nécessaire pour affiner les modèles de propagation. Deuxièmement, des outils de simulation multi-échelles et multiphasiques qui couplent la physique électrochimique, thermique, dynamique des fluides et de combustion doivent être développés et validés, avec des modèles d’ordre réduit permettant une itération de conception plus rapide. Troisièmement, les systèmes de gestion thermique de prochaine génération devraient unifier l’efficacité en fonctionnement normal et les capacités de suppression d’urgence, potentiellement through smart materials that activate only under extreme conditions.
Pour l’industrie automobile, ces insights portent une pertinence immédiate. Alors que les constructeurs automobiles tendent vers des densités énergétiques plus élevées pour étendre l’autonomie, la sécurité ne peut pas être une réflexion après coup. Les architectures de batteries doivent intégrer des barrières de propagation thermique dès le départ — non pas comme des ajouts, mais comme des éléments de conception centraux. Les normes réglementaires, comme le GB 38031–2020 de la Chine, mandatent déjà la résistance à la propagation de l’emballement thermique, et des exigences similaires émergent globalement. Les stratégies passées en revue ici fournissent une feuille de route pour la conformité sans sacrifier la performance.
Ultimement, le but n’est pas seulement de contenir la défaillance, mais de la prévenir. Bien qu’aucun système ne puisse garantir une sécurité absolue, des défenses en couches — combinant une chimie de cellule robuste, une architecture de pack intelligente, une gestion thermique réactive et une surveillance avancée — peuvent réduire la probabilité et les conséquences de l’emballement thermique à des niveaux négligeables. Alors que les véhicules électriques deviennent grand public, une telle rigueur d’ingénierie sera essentielle pour maintenir la confiance des consommateurs et permettre une mobilité durable.
Auteurs : Chen Guohe, Lyu Peizhao, Li Menghan, Rao Zhonghao
Établissement : School of Energy and Environmental Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, Chine
Revue : Energy Storage Science and Technology
DOI : 10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0091