Source : «Mécanisme d'emballement thermique des batteries lithium-ion pour véhicules électriques : une étude »X. Feng, et al Université Tsinghua – Pékin
Court-circuit interne et emballement thermique
Comme expliqué dans la lettre technique WATTALPS sur la sécurité des batteries lithium-ion, l'emballement thermique d'une cellule de batterie est un événement à éviter pour garantir la sécurité d'un système de batterie. L'emballement thermique est un phénomène d'auto-échauffement qui peut potentiellement entraîner un incendie ou une explosion. Lorsque la batterie atteint un seuil de température, des réactions exothermiques parasites se produisent et chauffent encore plus la batterie. La réaction devient instable et peut entraîner un incendie ou une explosion de la batterie dans certaines circonstances.
Source : «Mécanisme d'emballement thermique des batteries lithium-ion pour véhicules électriques : une étude »X. Feng, et al Université Tsinghua – Pékin
Le système électronique de gestion de la batterie assure une protection active contre l'emballement thermique en maintenant la cellule dans une zone de fonctionnement sûre (« abus électrique » / « abus thermique » de la figure ci-dessus). Des mesures de protection supplémentaires dans la conception de la batterie et son intégration dans le véhicule limiteront fortement la probabilité d'un court-circuit interne lié à un accident (écrasement de la batterie ou pénétration de pièces conductrices dans le boîtier de la batterie). Ces mesures de protection peuvent être validées lors d'essais de qualification (ECE R100 V2, SAEJ2464, IEC62619…).
Néanmoins, il n'est pas possible d'empêcher un court-circuit interne à la cellule dû à la présence d'une pièce métallique à l'intérieur de celle-ci (erreur dans le processus de fabrication de la cellule lithium-ion).
Probabilité d'occurrence d'un court-circuit interne dû au processus de fabrication des cellules
Selon la littérature, la probabilité d'occurrence d'un court-circuit interne pour une cellule 18650 est de 0,1 ppm (source : « Thermal Runaway Mechanism of Lithium Ion Battery for Electric Vehicles: A Review » X. Feng, et al Tsinghua University – Beijing). Cet événement se produira donc plus souvent pour les grosses batteries et pour les produits fabriqués en grande quantité. À titre d'exemple, on estime qu'une batterie Tesla sur 10 000 subira un court-circuit interne lié à une erreur dans le processus de fabrication.
Propagation d'emballement thermique
Il est donc primordial de comprendre le comportement d'une cellule lithium-ion lors d'un emballement thermique et de mettre en place des mesures d'atténuation appropriées. En effet, la chaleur générée lors de l'emballement thermique d'une cellule lithium-ion peut être suffisante pour déclencher l'emballement thermique des cellules voisines et créer ainsi une réaction en chaîne pouvant conduire à une explosion dans le pire des cas. C'est pourquoi de plus en plus de secteurs imposent de tester les batteries pour détecter la propagation de l'emballement thermique (DNV-GL pour les applications marines, SAE pour les véhicules électriques, CEI 62619 pour les batteries stationnaires et industrielles, etc.).
Vous trouverez dans le lien suivant une vidéo montrant la propagation d'un emballement thermique dans une petite batterie composée de cinq cellules 18650 (la chimie LCO est la plus réactive).
Deux stratégies différentes
Pour empêcher la propagation de l'emballement thermique, deux stratégies différentes sont mises en œuvre :
- Utiliser des cellules lithium-ion qui ne présentent aucun risque en cas de court-circuit interne. Cette stratégie limite fortement l'utilisation des cellules lithium-ion. En effet, les cellules à haute densité énergétique évacuent plus d'énergie lors de l'emballement thermique. Certaines cellules LFP (phosphate de fer) permettent ce type de conception, mais leur densité énergétique est fortement réduite : 260 Wh/L pour les meilleures cellules LFP contre 700 Wh/L pour les meilleures cellules lithium-ion.
Les modules et packs de batteries fabriqués à partir de cellules LFP offrent des densités énergétiques comprises entre 90 et 166 Wh/L (hors système de chauffage/refroidissement).
- Développer un système d'atténuation permettant de gérer l'emballement thermique des cellules et d'empêcher la propagation d'une cellule à l'autre. Cette stratégie permet d'utiliser une large gamme de cellules lithium-ion, mais nécessite un travail de conception et de validation beaucoup plus important. La conception doit en effet évacuer en toute sécurité les gaz d'échappement issus de l'emballement thermique, mais aussi intégrer des systèmes passifs de dissipation de la chaleur afin d'empêcher les cellules adjacentes d'atteindre leur limite de température, ce qui déclencherait un emballement thermique. Les modules WATTALPS ont passé avec succès les tests de non-propagation conformément à la norme IEC 62619 avec des cellules lithium-ion NCA, ayant une densité énergétique supérieure à 700 Wh/L.
Les modules sécurisés et les packs de batteries WATTALPS offrent des densités énergétiques comprises entre 220 et 300 Wh/L et intègrent un réseau de circulation de liquide de refroidissement permettant de refroidir ou de réchauffer facilement la batterie.
NB: si vous n'êtes pas familier avec les termes LFP ou NCA, n'hésitez pas à lire nos TechLetters sur positive et négatives des batteries lithium-ion, ainsi que celle sur le stockage d'énergie électrique.
