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La sécurité des batteries Li-ion repose sur la capacité à contenir les événements d'emballement thermique (TR) d'une cellule unique afin qu'ils ne puissent pas se propager aux cellules adjacentes, déclenchant ainsi une défaillance en cascade. Bien que l'énergie thermique libérée lors d'un événement d'emballement puisse emprunter plusieurs voies, les plus importantes sont les suivantes :
- Conduction de cellule à cellule
- Éjections en phase solide, liquide et gazeuse libérées par la cellule défaillante.
Le premier peut être contrôlé à l'aide de matériaux isolants hautes performances qui, placés entre les cellules, agissent comme un pare-feu. En tant que matériaux isolants les plus performants au monde, les barrières thermiques à base d'aérogel ont résolu efficacement le défi de la conduction de cellule à cellule (C2C).
La dissipation sûre des éjections est une tâche plus difficile. Les jets à haute vitesse et à haute température qui émergent lors d'une rupture de cellule peuvent rapidement faire fondre et/ou éroder même l'aluminium solide. Pour mieux comprendre cette agression thermique et abrasive combinée, les ingénieurs se tournent souvent vers la norme de test UL 2596 pour obtenir des conseils. Cette méthode utilise un ensemble de cellules Li-ion en combustion pour évaluer les performances thermiques et mécaniques des matériaux de boîtier de batterie. Récemment, la norme a été révisée pour inclure une méthode expérimentale de laboratoire permettant de simuler l'exposition aux éjections de feu de batterie, mais sans les batteries. Cette nouvelle méthode de torche et de grains (TaG) dirige la flamme d'une torche au propane vers un échantillon cible, tout en injectant périodiquement des grains à haute vitesse dans le flux pour reproduire les éjections de batterie et leurs effets sur les composants adjacents.
La norme UL 2596 s'est avérée très utile pour évaluer les couvercles de packs, qui se trouvent généralement à proximité immédiate et normale de la ventilation des cellules Li-ion. Cependant, en dehors de la zone d'impact immédiate, les paramètres de test UL 2596 sont probablement trop conservateurs pour simuler l'exposition dans le reste du pack. En d'autres termes, les composants qui peuvent survivre aux tests de propagation thermique au niveau du module et du pack échoueront souvent à la norme UL 2596, ce qui limite sa valeur en tant qu'outil de dépistage pour les applications sans couvercle de pack.
Cependant, des tests récents d'emballement thermique suggèrent que l'UL 2596 peut être modifié pour améliorer sa précision pour les composants de couverture non-pack. Ces tests ont placé des cellules prismatiques directement contre et parallèlement à un échantillon cible de telle sorte que, lors du déclenchement, l'éjecta a frappé l'échantillon à un angle oblique. Le « coup rasant » qui en résulte s'est avéré plus typique de ce que subissent les composants plus éloignés de la zone d'impact. Cela suggère également que l'inclinaison de la cible UL 2596 à 15-25° par rapport à la parallèle pourrait fournir une meilleure simulation de l'impact en champ lointain.
Après chaque test, les particules solides éjectées ont été collectées pour analyse. L’équipe a examiné la taille, la dureté et la composition chimique des particules pour mieux comprendre leur comportement lors d’événements d’emballement thermique. L’analyse a révélé une proportion significative de gros restes (> 700 µm) non sphériques de feuilles d’aluminium et de cuivre. Bien que leur vitesse d’éjection initiale soit élevée, les multiples impacts inélastiques qu’ils subissent dans l’espace confiné d’un bloc-batterie épuisent rapidement leur élan. Les morceaux froissés qui en résultent possèdent un faible coefficient balistique et suivront ensuite les lignes de courant dynamiques des fluides vers l’évent du bloc-batterie – pensez à des plumes, pas à des boulets de canon.
Particules plus petites, possédant un diamètre moyen de Sauter (D32) de 240 microns, étaient principalement composés d'oxygène, d'aluminium, de nickel et de carbone. Malgré leur composition métallique, ces particules étaient molles et se réduisaient facilement en poudre dans la main. Des tests de dureté Vickers ont été effectués, montrant que la plupart des éjectas étaient significativement plus mous que le grain recommandé par la norme UL 2596, l'oxyde d'aluminium. Cela suggère qu'une modification supplémentaire du test avec un abrasif plus doux produirait des résultats plus appropriés pour les surfaces situées en dehors de la zone d'impact.
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