Il était temps : les 6 phases de propagation de l'emballement thermique

Propagation par emballement thermique est un défi complexe. Quelle que soit la chimie de la cellule ou l’architecture du pack, les batteries lithium-ion risquent de subir un emballement thermique. Bien qu’il n’existe pas de solution universelle, les ingénieurs en batteries n’ont pas besoin de réinventer la roue lorsqu’ils développent une solution répondant aux exigences de sécurité critiques. En comprenant les subtilités de chaque étape de l’emballement thermique, les ingénieurs peuvent découvrir les leviers à actionner pour atteindre leurs objectifs de performance et de sécurité.

Qu’est-ce que l’emballement thermique ?

Les batteries lithium-ion génèrent une petite quantité de chaleur lors de leur cycle. Les réactions chimiques à l'intérieur des cellules peuvent s'accélérer lorsqu'elles sont déclenchées par des abus mécaniques (par exemple, cellule perforée), électriques (par exemple, surcharge) et thermiques (par exemple, surchauffe). À mesure que la température augmente, la cellule perd sa capacité à dissiper la chaleur, ce qui peut entraîner un incendie (emballement thermique). L'emballement thermique dans une seule cellule est un événement de maintenance mais peut rapidement se propager à d'autres cellules (propagation thermique), ce qui constitue un problème de sécurité.

Propagation thermique sur des échelles de temps courtes et longues

Les lignes directrices actuelles recommandent que tous les passagers soient en mesure de sortir du véhicule en toute sécurité dans les cinq premières minutes suivant la détection d'un emballement thermique. À mesure que les ingénieurs en batteries comprennent mieux la technologie, des réglementations plus rigoureuses et des calendriers plus longs se profilent probablement à l’horizon. L’objectif ultime est de créer des systèmes sans propagation, mais l’industrie a encore un long chemin à parcourir.

À court terme

Les premières minutes d’un emballement thermique sont explosives et violentes. Comprendre ces mécanismes est crucial pour atténuer la propagation thermique et respecter les réglementations de cinq minutes.

1. Conduction de cellule à cellule

La conduction cellulaire se produit lorsque l'énergie de la cellule déclencheur est transférée à une cellule adjacente via un contact face à face. La chaleur développée dans la poche et les cellules prismatiques est partagée avec les deux cellules adjacentes, tandis que les cellules cylindriques seront généralement partagées avec six voisines (malgré les effets de bord/coin).

Une barrière efficace de cellule à cellule (C2C) constitue la première ligne de défense pour lutter contre la propagation thermique, servant de pare-feu entre les cellules adjacentes. Il doit s'agir d'une barrière conductrice, d'un isolant ou d'un pare-feu entre les cellules. Lors d'un emballement thermique, le rôle d'une barrière C2C est de protéger les cellules adjacentes de la cellule déclencheur. Il doit être aussi fin que possible, offrir une résistance thermique exceptionnellement élevée lorsqu'il est comprimé et résister à des températures de 850°C ou plus.

PyroThin est une barrière de cellule à cellule de pointe car il offre une protection thermique et mécanique pendant tout le cycle de vie d'un véhicule dans un format ultra fin et léger. La technologie d'aérogel unique d'Aspen permet PyroThin pour agir à la fois comme coussin de compression et comme barrière coupe-feu. PyroThin est une plate-forme réglable qui peut être personnalisée pour répondre aux exigences thermiques, de réponse à la compression et d'épaisseur.

2. Combustion primaire

La gestion des gaz est essentielle pour créer une conception sans propagation. L’éjection du gaz d’une cellule se déroule en deux étapes :

• Pendant combustion primaire tous les réactifs du processus de combustion proviennent de l’intérieur de la cellule. La combustion primaire commence généralement à l’intérieur de la cellule et peut ensuite passer à l’extérieur à mesure que les réactifs sont éjectés.
• Combustion secondaire se produit lorsque les matériaux chauds et riches en carburant à l'intérieur de la cellule sont éjectés et réagissent violemment avec l'air présent dans l'espace libre au-dessus des cellules.

La gestion du gaz est essentielle pour prolonger les délais de propagation au-delà du seuil de cinq minutes. S'ils ne sont pas correctement contrôlés, les gaz chauds peuvent se propager rapidement sur le dessus et les côtés des modules, déclenchant directement les cellules adjacentes et court-circuitant tous les autres mécanismes de protection.

3. Éjection de particules chaudes

En plus de libérer des gaz chauds d'une cellule en emballement, il y a souvent l'expulsion à grande vitesse de particules chaudes, notamment de l'aluminium fondu, des morceaux de plastique fondus ou carbonisés et des morceaux solides de cuivre. Ces particules rendent le problème de la gestion des gaz encore plus difficile, car elles soumettent les zones environnantes à la fois à la chaleur et à une explosion érosive concentrée pendant 60 secondes maximum.

Plus long terme

Contenir un événement d'emballement thermique avec PyroThin peut être comme attraper un animal sauvage – cela soulève la question : « Et maintenant ? Toute cette énergie thermique doit encore être évacuée et il existe de multiples voies pour qu’elle s’écoule. Comme décrit ci-dessous, chaque voie doit être contrôlée afin que toute la chaleur contenue ne s'écoule pas dans les cellules adjacentes.

4. Les voies conductrices secondaires entrent en jeu

À mesure que les événements de propagation thermique durent plus longtemps, les voies de conduction secondaires deviennent critiques et elles sont nombreuses, notamment :

• Les barres omnibus sont souvent en aluminium ou en cuivre, ce qui en fait de bons conducteurs électriques. Les barres omnibus fournissent un chemin d'accès d'un onglet de cellule à son voisin. Les barrières cellule à cellule n’ont aucun impact sur ces ponts thermiques car elles ne dépassent pas le profil d’une cellule.
• Une plaque de refroidissement, qu'elle soit active ou inactive, est généralement une grande feuille d'aluminium. Il forme un chemin qui passe sous une barrière C2C, la contournant comme un pont thermique.

5. Convection naturelle à travers les espaces d’air

La convection naturelle (par opposition à la convection induite par la pression lors d'une ventilation active) se produit lorsque les produits de combustion chauds se propagent à travers et autour du module, chauffant directement les cellules adjacentes.

6. Refroidissement actif

Le refroidissement actif est un joker car le système de gestion thermique d'un véhicule peut ne pas toujours être intact et fonctionnel, en particulier dans un scénario post-accident. S’ils sont disponibles, les systèmes de refroidissement actifs peuvent – ​​sur des périodes suffisamment longues – absorber l’excès de chaleur et le rejeter en toute sécurité. Les systèmes de gestion thermique sont généralement inefficaces pendant la période initiale de cinq minutes d'un emballement thermique, car le taux de génération de chaleur dépasse la capacité de rejet de chaleur du système. Cependant, sur des périodes plus longues (par exemple 15, 30, 60 minutes), le refroidissement actif est efficace pour éliminer l'excès d'énergie thermique et le rejeter, contribuant ainsi à atténuer la propagation thermique.

Lors de l’élaboration d’une stratégie de prévention de la propagation thermique, les ingénieurs en batteries doivent garder à l’esprit toutes les voies ci-dessus. Lors de récents tests de mini-modules, PyroThin a arrêté à plusieurs reprises la propagation de l’emballement thermique au niveau cellule à cellule. Bien qu’il ne s’agisse que d’une pièce du puzzle, isoler la conduction de cellule à cellule et prouver que l’emballement thermique peut être stoppé permet de se concentrer sur d’autres voies.

Aspen Aerogels offre une conception technique robuste et un support de prototypage. En apprendre davantage sur PyroThin ou pour planifier un rendez-vous avec notre équipe technique, contactez-nous aujourd'hui