Source : “Thermal Runaway Mechanism of Lithium Ion Battery for Electric Vehicles: A Review” X. Feng, et al Tsinghua University – Beijing
Emballement thermique et court-circuit interne
Comme expliqué dans la TechLetter WATTALPS sur la sécurité des batteries lithium-ions, l’emballement thermique d’une cellule batterie est l’évènement à éviter pour assurer la sécurité des systèmes batteries lithium-ions. Pour rappel, l’emballement thermique est un phénomène d’auto-échauffement potentiellement violent de la batterie. Lorsque la batterie atteint une température limite, des réactions parasites exothermiques se produisent et chauffent d’autant plus la batterie. Le phénomène devient instable et peut conduire à un feu de batterie, voire une explosion dans certains cas.
Source : “Thermal Runaway Mechanism of Lithium Ion Battery for Electric Vehicles: A Review” X. Feng, et al Tsinghua University – Beijing
L’électronique de gestion batterie assure une protection active contre l’emballement thermique en maintenant les batteries dans une zone de fonctionnement sûre (« electrical abuse » / « thermal abuse » de la figure ci-dessous). Des mesures de protection dans la conception de la batterie et son intégration dans un véhicule permettent de limiter fortement la probabilité d’apparition d’un court-circuit interne lié à un écrasement ou à la pénétration d’objets conducteurs. Ces mesures pourront être vérifiées lors de tests de qualification (ECE R100 V2, SAEJ2464, IEC62619…).
Il est par contre impossible d’empêcher l’apparition d’un court-circuit interne lié à une faille dans le procédé de fabrication de la cellule lithium-ions.
Probabilité d’apparition d’un court-circuit interne
Selon la littérature, la probabilité d’apparition d’un court-circuit interne pour les cellules 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 évènement est d’autant plus probable pour les batteries de grandes dimensions et pour les produits fabriqués en grande quantité. Ainsi, il est estimé qu’une batterie de Tesla toutes les 10 000 batteries subira un court-circuit interne lié à une faille dans le procédé de fabrication.
Propagation d’emballement thermique
Il est donc primordial de comprendre le comportement d’une cellule lithium-ions lors d’un emballement thermique et de mettre en place des éléments de mitigation adaptés. En effet, la forte chaleur dégagée par une cellule lithium-ions en emballement thermique peut faire monter la température des cellules adjacentes de façon suffisante pour déclencher leur emballement thermique et alimenter ainsi une réaction en chaine qui peut être violente. C’est pourquoi des secteurs de plus en plus nombreux imposent de tester ce phénomène (DNV-GL pour le maritime, SAE pour les véhicules électriques, IEC62619 pour les batteries stationnaires et industrielles…).
Vous trouverez en suivant ce lien la vidéo d’une propagation d’emballement thermique d’une cellule 18650 à une autre (la chimie LCO est la plus réactive).
Deux stratégies différentes
Pour éviter ce phénomène d’emballement généralisé, deux stratégies différentes sont utilisées à ce jour :
- Utiliser des cellules lithium-ions ne présentant pas de risque lors d’un court-circuit interne. Cette stratégie restreint très fortement l’utilisation des cellules lithium-ions. En effet, plus la densité d’énergie des cellules est élevée plus l’emballement thermique dégage de l’énergie. Certaines cellules LFP (Phosphate de Fer) permettent ce type de conception mais leur densité d’énergie est fortement limitée : 260 Wh/L pour les meilleures cellules LFP contre plus de 700Wh/L pour les meilleures cellules lithium-ions.
Les modules et packs batterie sûrs fabriqués à partir de cellules LFP présentent des densités d’énergie variant entre 90 et 166Wh/L (hors système de réchauffage/refroidissement).
Développer un système de mitigation permettant de gérer l’emballement thermique d’une cellule lithium-ions et empêcher sa propagation aux cellules adjacentes. Cette stratégie permet d’utiliser un grand nombre de cellules lithium-ions, mais nécessite un effort de conception et de validation bien plus important. La conception doit en effet permettre l’évacuation des gaz chauds d’une cellule en emballement thermique, mais aussi des systèmes passifs de dissipation de chaleur de façon à éviter que les cellules adjacentes atteignent leur température limite d’emballement thermique. Les modules WATTALPS ont passé avec succès le test de non propagation d’emballement thermique selon la norme IEC 62619 avec des cellules lithium-ions NCA, présentant une densité d’énergie supérieure à 700Wh/L.
Développer un système de mitigation permettant de gérer l’emballement thermique d’une cellule lithium-ions et empêcher sa propagation aux cellules adjacentes. Cette stratégie permet d’utiliser un grand nombre de cellules lithium-ions, mais nécessite un effort de conception et de validation bien plus important. La conception doit en effet permettre l’évacuation des gaz chauds d’une cellule en emballement thermique, mais aussi des systèmes passifs de dissipation de chaleur de façon à éviter que les cellules adjacentes atteignent leur température limite d’emballement thermique. Les modules WATTALPS ont passé avec succès le test de non propagation d’emballement thermique selon la norme
Les modules et packs batteries sûrs de WATTALPS présentent une densité d’énergie variant entre 220 et 300 Wh/L tout en intégrant un système de circulation de fluide pour le réchauffage ou le refroidissement de la batterie.
NB : si les termes NCA, LFP ou lithium-ions ne vous sont pas familiers, n’hésitez pas à consulter nos TechLetter sur les électrodes positives et négatives des batteries lithium-ions, ainsi que celle sur le stockage d’énergie électrique.