Afin de diminuer les risques d'emballement thermique, les chercheurs misent aujourd'hui sur deux stratégies complémentaires. D'abord, abaisser la probabilité d'occurrence de l'emballement, par exemple avec des matériaux plus stables ou des organes de sécurité. Ensuite, réduire les conséquences, donc limiter la propagation entre cellules au sein de la batterie. Ceci en jouant sur leur espacement, leur isolation, la disponibilité d'une puissance froide pour contrer l'échauffement, etc.
Pour dimensionner les moyens de réduction des conséquences de l'emballement, le CEA-Liten a approfondi les paramètres clés responsables de la propagation : quantité de gaz et énergie totale libérées, flux thermique, température, pression…
Un dispositif d'essai transparent aux X qui supporte 400°C et 200 bars
« Pour avancer, il fallait déclencher et analyser de vrais emballements thermiques, explique Natacha Darmet, la doctorante qui a mené les travaux. Nous l'avons fait dans un dispositif expérimental fermé et instrumenté, capable de supporter 400°C et 200 bars. Il permet la radiographie rapide aux rayons X à l'ESRF pour observer l'emballement operando. »
Dans ce dispositif, sorte de tube, deux cellules sont placées en vis-à-vis. La première cellule, dite « gâchette », est surchauffée jusqu'à son emballement, et celui-ci se propage à la cellule cible que l'on étudie.
Des essais ont été menés avec deux chimies de batteries. D'abord, des cellules de 3e génération à électrolyte liquide, de type 18650 (3 Ah LIB NMC811/GrSi), chargées à 100%. Ensuite, des tout-solide de 4e génération à électrolyte LLZO, réassemblées à partir des mêmes électrodes chargées ; il ne s'agit donc pas de produits du commerce.
Cellules tout-solide : un flux thermique 10 fois plus élevé
« Nos capteurs mesuraient simultanément plusieurs grandeurs physiques, précise Natacha Darmet. De plus, en corrélant suivi en pression et images X, nous pouvions indexer en temps le phénomène de propagation afin d'évaluer le flux thermique, et pas seulement l'énergie libérée. »
Cela a permis d'expliquer le résultat marquant de l'étude : chaque cellule tout-solide dispose d'assez d'énergie pour déclencher la suivante, et la propagation de l'emballement thermique entre ces cellules est donc possible. « Certes, elles libèrent une énergie totale voisine de celle des cellules de 3e génération. Mais le flux thermique est dix fois plus important – 1828 kW au lieu de 176 kW – d'où une propagation cinq fois plus rapide. »
À l'inverse, les cellules de 4ème génération étudiées dégagent moitié moins de gaz que les 3G lors de l'emballement : les stratégies visant à confiner ou évacuer ces gaz pour prévenir la propagation pourraient être plus faciles à mettre en œuvre.
D'autres essais possibles sur de futures cellules industrielles
Ces résultats vont alimenter les collaborations en cours avec plusieurs industriels sur la sécurité de leurs futures batteries tout-solide. « Désormais, nous cernons plus précisément les paramètres de dimensionnement pertinents pour prévenir les phénomènes de propagation, explique Natacha Darmet. De plus, grâce à notre dispositif expérimental, nous pouvons mener des essais couplant sollicitation abusive et observation operando sur tous types de cellules de quelques A.h. »
Ces travaux ont été publiés :
N. Darmet, J. Charbonnel et al, ACS Applied Energy Materials Volume 7, Issue 10, Pages 4365 - 437527 May 2024