Quelle est la vitesse de charge maximale qu'une batterie supporte sans se dégrader ? Quelle stratégie de refroidissement pour éviter les échauffements locaux qui accélèrent son vieillissement ? Comment mieux prévenir les emballements thermiques ? À ce jour, difficile de répondre à ces questions, pourtant cruciales pour l'électrification des usages.
Une simulation exécutable sur un gros PC industriel
Les expérimentations sont difficiles à interpréter : il y a trop d'interactions entre température, courants, états de charge, lithiation, vieillissement, etc. La modélisation P2D, courante dans l'industrie, ne couvre que des fragments de la batterie. Les modèles P4D (pseudo-4 dimensions), qui la décrivent dans sa globalité, nécessitent des ressources de calcul très coûteuses. Et les questions restent sans réponse…
Le Liten a donc signé un résultat marquant en développant un modèle P4D de cellule 18650 complète, qui reproduit les cinq premières minutes d'une charge rapide 4C avec 16 cœurs de calcul mobilisés pendant 24 heures. « Un gros PC de bureau d'études industriel fera l'affaire si l'objectif est de mener une étude d'ingénierie », assure Benoit Mathieu, du Liten.
Un modèle sur mesure, spécifique aux batteries
Le modèle a été conçu avec le support d'une équipe parisienne de la Direction des énergies du CEA. Il utilise la plateforme de simulation TRUST, dont les méthodes numériques permettent de reproduire fidèlement les couplages d'effets physiques propres aux batteries. « Du sur mesure, comparé au prêt-à-porter des plateformes logicielles commerciales. »
Pour le moment, l'outil est un prototype et fournit des résultats qualitatifs. Mais ils témoignent de capacités impressionnantes. Il devient possible de connaître le potentiel électrique dans le collecteur des deux électrodes bobinées, à tout moment de la charge. Ou de prédire la formation de dépôts de lithium sur le graphite (« lithium plating »), puis d'évaluer leur importance. Le champ de température de la cellule s'affiche en clair, de la base au sommet et des bords au centre. « Pour valider ces modèles, il faut encore sonder le cœur de la batterie en fonctionnement, par exemple au moyen de techniques avancées de tomographie au Synchrotron », précise Benoit Mathieu.
« Explorer beaucoup de paramètres de fabrication et d'algorithmes de pilotage de charge »
Le modèle est déjà assez avancé pour traiter des problématiques industrielles sur des cellules. Et l'équipe fourmille d'idées pour l'améliorer. Elle a notamment obtenu le financement d'une thèse qui débute en septembre, sur une résolution de maillage plus fine.
Sont notamment envisagés un modèle réaliste de charge des cellules, une simulation quantitative du lithium plating, un maillage spécifique pour le champ de température, ou encore un couplage du code Trust avec un code de mécanique, pour modéliser les contraintes de la cellule dues à la « respiration » des matériaux d'électrode. « En passant sur des supercalculateurs, nous allons aussi augmenter la précision des simulations, explique Benoit Mathieu, et multiplier les calculs pour explorer un grand nombre de paramètres de fabrication et d'algorithmes de pilotage de charge des batteries ».