Déclenché par un court-circuit interne aux causes variées (choc mécanique, charge inappropriée, vieillissement, etc.), l'emballement thermique d'une cellule de batterie se manifeste par une montée en température brutale, qui provoque la libération de particules incandescentes et de gaz pouvant dépasser les 1 000°C : hydrogène, monoxyde et dioxyde de carbone... En une seconde, c'est l'embrasement, qui peut contribuer à la propagation de l'emballement aux cellules voisines.
Des simulations et des tests abusifs
Cette réaction en chaîne inspire beaucoup de travaux industriels et académiques. Ceux menés par le CEA-Liten dans le cadre du projet européen Versaprint avaient deux objectifs : limiter les impacts de l'emballement thermique et réduire la probabilité de flammes à l'extérieur du module batterie. « Ceci en jouant sur deux leviers, précise Remy Panariello, l'un des acteurs du projet :
canaliser vers l'extérieur les gaz qui sont émis et abaisser leur température. »
Les chercheurs ont fabriqué deux modules de test comprenant trois cellules commerciales de 51Ah couramment utilisées dans l'automobile, ainsi que leur système de gestion des gaz d'échappement. L'ensemble a fait l'objet de simulations, menées par l'institut allemand RWTH (qui a aussi participé à la conception), et de deux essais réalisés sur la plateforme de tests abusifs batteries du CEA.
« Le système va être breveté, annonce Gaël Berrier, autre acteur du projet au CEA-Liten.
Il associe plusieurs alliages métalliques et augmente modérément le volume et la masse du module batterie, grâce à des astuces de conception. » Mais surtout, il joue son rôle : aucun embrasement de gaz n'a eu lieu lors des deux essais abusifs, comme prédit par la simulation.
Conception du système par CAO, à gauche, et photo du démonstrateur destiné aux essais sur la
plateforme de tests abusifs batteries
du CEA à droite.
Credit: CEA
Des gaz, des particules incandescentes, mais pas de feu
Pour le premier essai, la cellule gâchette était chauffée pendant 20 minutes (6°C/minute) et les canaux de refroidissement n'étaient pas utilisés. Cette lente montée en température a préchauffé les deux cellules voisines, qui se sont emballées à leur tour. La majorité des particules incandescentes ont été arrêtées par le système.
Au second essai, la vitesse de montée en température était doublée (12°C/min) et les canaux de refroidissement, activés. Le système du CEA-Liten a joué son rôle : il a refroidi à 550°C les gaz à 1 100°C émis par la cellule ; quant aux particules incandescentes, elles n'étaient plus enflammées en sortie du dispositif. De plus, l'emballement ne s'est pas propagé aux cellules voisines.
« Il reste encore du travail pour confirmer ces premiers résultats, tempère toutefois Rémy Panariello.
La filtration des particules doit gagner en efficacité.
Nous devons rationaliser le système de gestion des gaz en termes de matériaux et d'épaisseurs, car nous avions pris des marges de sécurité considérables, etc. »
Les chercheurs aimeraient aussi engager un projet de R&D avec un industriel, sur la base de son cahier des charges. Enfin, ces prochains mois, certains éléments du système vont être intégrés à des fins de test dans un module batteries à usage aéronautique.