Calorimètres pour la recherche sur la propagation thermique des piles au lithium-ion

02 April 2020
Calorimètres pour la recherche sur la propagation thermique des piles au lithium-ion

Les batteries lithium-ion présentent les avantages suivants : haute densité énergétique, capacité de charge/décharge rapide, absence d'effet mémoire et faible autodécharge. La dernière étape consiste à empêcher la propagation de l'emballement thermique d'une cellule aux cellules voisines. Un tapis chauffant est fixé à la cellule 2 et le matériau de protection thermique à tester est installé entre les cellules 3 et 4 et sous le couvercle (s. 1). Le matériau de protection amélioré DEFENSOR MULTIFLEX® du groupe HKO, qui a été testé dans cet exemple, est capable de retarder la propagation thermique vers la cellule 4 de 9 minutes. La température sur le dessus du couvercle, dite température du côté froid, est restée inférieure à 80 °C pendant toute la durée du test, alors que des températures allant jusqu'à 850 °C ont été atteintes à l'intérieur du boîtier de batterie. Il y a encore beaucoup de discussions et de recherches en cours dans cet article est publié sous licence Creative Commons CC-BY, est publié par le Calorimeter Center.


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Le Dr Carlos Ziebert, directeur ducentre de calorimétrie de l'IAM-AWP, KIT, expliquecomment les calorimètres peuvent être appliqués pour améliorer les matériaux d'atténuation de la propagation thermique dans les batteries lithium-ion

Créé en 2011, le Centre de calorimétrie de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) - Physique des matériaux appliqués - exploite le plus grand laboratoire de calorimétrie à batterie d'Europe. Six calorimètres d'accélération (ARC, Thermal Hazard Technology) de différentes tailles utilisés en combinaison avec des cycleurs permettent d'évaluer les données thermodynamiques, thermiques et de sécurité des piles lithium-ion au niveau du matériau, de la pile et du bloc pour des conditions normales et abusives (thermiques, électriques et mécaniques). Les piles au lithium-ion présentent les avantages d'une haute densité d'énergie, d'une capacité de charge/décharge rapide, d'une absence d'effet mémoire et d'une faible autodécharge, ce qui en fait la source d'énergie la plus appropriée pour les appareils électroniques portables et pour l'électrification des transports, qui a de plus en plus d'impact sur notre vie quotidienne au XXIe siècle.

Propagation thermique

Il est clair que les questions de sécurité ont une influence majeure sur la volonté des consommateurs d'adopter les batteries lithium-ion, car une augmentation incontrôlable de la température de l'ensemble du système (appelée emballement thermique) peut provoquer une inflammation, voire une explosion de la batterie avec dégagement simultané de gaz toxiques. S'il n'est pas possible d'empêcher une seule cellule d'entrer dans l'emballement thermique, la dernière étape consiste à empêcher la propagation de l'emballement thermique d'une cellule aux cellules voisines, ce que l'on appelle la propagation thermique ou du moins à prolonger le temps jusqu'à la propagation thermique à 5-10 min. Cela devrait donner aux passagers d'un véhicule électrique suffisamment de temps pour s'échapper ou pour être secourus par les pompiers. Les ARCs à grande échelle sont bien adaptés à l'étude de la propagation thermique

Configuration de la qualification des matériaux pour l'atténuation de la propagation thermique

Récemment, le centre de calorimétrie a mis au point un dispositif qui permet de développer et de qualifier des contre-mesures appropriées, telles que des boucliers thermiques Setup for thermal propagation testing . Ce dispositif consiste en une boîte métallique, qui imite un boîtier de piles et qui est placée dans la chambre du calorimètre. Quatre cellules en forme de poche sont installées dans la boîte et équipées de thermocouples qui sont connectés au logiciel ARC. Un tapis chauffant est fixé à la cellule 2 et le matériau de protection thermique à tester est installé entre les cellules 3 et 4 et sous le couvercle (s. Fig. 1). À l'aide de la natte chauffante, la cellule 2 est maintenant chauffée pour amorcer son emballement thermique. La figure 2 montre clairement que l'emballement thermique se propage instantanément vers la cellule 1 et la cellule 3. Cependant, le matériau de protection amélioré DEFENSOR MULTIFLEX® du groupe HKO, qui a été testé dans cet exemple, est capable de retarder la propagation thermique vers la cellule 4 de 9 minutes. En outre, la température sur le dessus du couvercle, dite température du côté froid, est restée inférieure à 80 °C pendant tout le test, alors que des températures allant jusqu'à 850 °C ont été atteintes à l'intérieur du boîtier de la batterie.

Fig.1 Configuration pour le test de propagation thermique

 

Fig.2 Material qualification for extension of thermal propagation time Fig.2 Qualification des matériaux pour l'extension du temps de propagation thermique

Actuellement, un règlement technique mondial (GTR) sur la sécurité des véhicules électriques est en cours d'élaboration par tous les acteurs concernés, qui inclut la propagation thermique. Ainsi, il y a encore beaucoup de discussions et de recherches en cours afin de décider quelle est la meilleure méthode d'initialisation, qui pourrait devenir une norme. Nous espérons que les recherches menées au Centre de Calorimétrie permettront de progresser dans ce domaine.

 

Auteur : Gouvernement en libre accès

Cet article est publié sous licence Creative Commons CC-BY.