Prise en compte du risque de propagation de l'emballement thermique dans le développement des modules de batteries. Approche expérimentale tenant compte de la génération de gaz - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2024

Risk of the thermal runaway propagation in the development of battery module Experimental approach taking into account gas generation

Prise en compte du risque de propagation de l'emballement thermique dans le développement des modules de batteries. Approche expérimentale tenant compte de la génération de gaz

Résumé

Lithium-ion batteries are playing a prominent role in the energy transition, particularly in terms of storage and transportation. The analysis of failure modes reveals that despite of a low probability, the battery self heating has consequences that requires mitigation. Studying the phenomena that lead to the propagation from a cell’s thermal runaway to neighboring cells is essential. The key parameters involved in the thermal runaway propagation for a battery module are evaluated in details in this thesis. Different approaches based on a plurality of characterization methods are proposed. Still, some mechanisms need further developments through specific measures at each stage of the phenomenon.When incidents occur, the cell’s materials react by producing gas, which mechanically affects the cell casing. An experimental device has been developed to measure the internal pressure of the cell, allowing an operando monitoring of this gas generation. The correlation of this measurement with the casing deformations also confirms the significant impact of electrode swelling on the casing’s mechanical strength.At a critical temperature, the lithium-ion cell initiates thermal runaway, which leads to the ejection of materials (gas, flame, particles) at high temperature. Pressure sensors and fast cameras at different spectra were used to analyze the jet dynamics, from its genesis in the cell to its ejection.Heat transfers then occur between the ejecta and surrounding cells, which can results in a thermal runaway propagation. Calorimetry was used to characterize the first cell in order to predict its thermal exchanges in different configurations. Then, based on the knowledge of this energy release and the jet dynamics, a calculation of the emitted heat flow is proposed. The X-rays observations of the active material during the thermal runaway propagation revealed that degradation kinetics and gas generation are linked. It also stresses the importance of trigger cell particles in the thermal propagation risks.Lastly, the thermal runaway propagation between rebuilt charged all-solid-states batteries cells were evaluated experimentally, for the first time. This research has demonstrated that the propagation is feasible with these new battery technologies. The study must be conducted further.
Dans le cadre de la transition énergétique, les batteries au lithium-ion prennent une place prépondérante, notamment dans l’optique du stockage et du transport. L’analyse des modes de défaillance montre que même si la probabilité reste faible, l’auto-emballement d’une batterie présente des conséquences à maitriser. Il est donc indispensable d’étudier les phénomènes menant à la propagation de l’emballement d’une cellule aux cellules voisines. Ainsi, cette thèse propose une évaluation fine des paramètres moteurs de la propagation de l’ dans un module de batteries. L’état actuel de l’état de l’art propose différentes approches basées sur une pluralité de méthodes de caractérisation. Cependant, certains mécanismes restent encore à approfondir via des mesures particulières à chaque étape de l’évènement.Tout d’abord, lors d’incidents, la matière présente dans la cellule réagit en produisant du gaz, sollicitant ainsi mécaniquement les parois de la cellule. Un dispositif expérimental de mesure de pression interne de la cellule a ainsi été développé, permettant un suivi operando de cette génération de gaz. Le couplage de cette mesure aux déformations des parois a confirmé par ailleurs l’impact non négligeable des phénomènes de gonflement des électrodes sur la tenue mécanique du godet.A partir d’une température critique, l’emballement thermique de la cellule lithium-ion se déclenche, suivi de l’éjection de matière (gaz, flamme, particules) à haute température. La dynamique de ce jet a été analysée, de sa genèse, dans la cellule, à son éjection par l’utilisation de capteurs de pression et caméras rapides à différents spectres.Des transferts thermiques s’opèrent ensuite entre les éjectas et les cellules proches, pouvant provoquer la propagation de l’emballement thermique. Afin de prévoir ces échanges thermiques, l’énergie libérée par la 1ere cellule a été caractérisée par calorimétrie selon différentes configurations. Puis, à partir de la connaissance de ce paramètre clef et de la dynamique d’éjection, un calcul de flux thermique émis a alors été proposé. Par ailleurs, l’observation aux rayons X de la matière active pendant l’évènement a mis en évidence le lien direct entre la cinétique de dégradation et la génération de gaz, tout en soulevant l’importance des particules de la cellule gâchette dans l’étude thermique des risques de propagation.Enfin, la propagation de l’emballement thermique entre cellules tout solide reconstituées a été évaluée expérimentalement, pour la première fois. Ces travaux ont démontré que la propagation est possible sur ces nouvelles technologies de batterie et que cette étude doit être approfondie.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04659576 , version 1 (23-07-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04659576 , version 1

Citer

Natacha Darmet. Prise en compte du risque de propagation de l'emballement thermique dans le développement des modules de batteries. Approche expérimentale tenant compte de la génération de gaz. Génie des procédés. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2024. Français. ⟨NNT : 2024GRALI024⟩. ⟨tel-04659576⟩
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