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Essai destructif de batterie en simulation environnementale
Essai d'usure de la batterie (Battery Abuse Testing)
Des hautes températures juqu’à l'explosion
Batteries au lithium-ion Stockage d'énergie du futur
Les batteries lithium-ion se sont imposées comme l'une des principales technologies de stockage d'énergie et sont largement utilisées dans une grande variété d'applications, notamment dans des appareils électroniques portables, des véhicules électriques, dans le stockage d'énergie stationnaire et dans les systèmes d'énergie renouvelable. Un rapport de MarketsandMarkets prévoit que le marché des batteries au lithium-ion atteindra d'ici 2025 une valeur de 94,4 milliards de dollars, ce qui équivaut à une croissance annuelle d’environ 16,2%. Dans l'ensemble, les batteries au lithium-ion offrent de nombreux avantages en tant que source d'énergie puissante et efficace. Toutefois, il est important que nous soyons conscients qu'il existe également des dangers potentiels liés à leur utilisation et à leur manipulation et que des précautions appropriées doivent être prises pour minimiser ces risques.
La certification des batteries au lithium-ion
La certification des batteries au lithium-ion est effectuée par des organisations indépendantes qui effectuent des essais pour confirmer la conformité aux normes et réglementations applicables. Ces essais comprennent généralement des tests de stabilité thermique, de choc, de vibration, de surcharge, de court-circuit, de pénétration mécanique ou d'intégrité et d'autres dangers. Les essais sont effectués pour s'assurer que les batteries soient sûres et ne présentent aucun risque pour l'utilisateur ou l'environnement.
Que sont les Battery Abuse Tests ?
Une série de tests est requise pour la mise sur le marché des batteries et leur utilisation dans des applications automobiles. Les conditions de test sont définies dans les normes et standards pertinents (nationaux ou internationaux). Les tests de batterie sont effectués au niveau de la cellule, du module, du pack ou du véhicule. En principe, on peut distinguer les tests de performance et de vieillissement des batteries, les tests de simulation environnementale et les tests de sécurité.
Lors des tests de sécurité, également appelés tests d'abus, la batterie est soumise à des conditions en dehors de sa fenêtre de fonctionnement. Les Battery Abuse Tests sont des tests de sécurité destructifs effectués sur les batteries. Un exemple de test de sécurité destructif est un test de surcharge, au cours duquel la batterie est chargée à une tension supérieure à celle normalement recommandée. Cela peut entraîner une surchauffe de la batterie et éventuellement une panne ou une explosion. Un autre exemple est le « clouage » (« Nailing »), qui consiste à percer la batterie avec un objet pointu afin de vérifier comment elle réagit à un éventuel dommage. Ces tests d'usure de la batterie s'accompagnent généralement d'une fuite thermique (en anglais Thermal Runaway), c'est-à-dire d'un incendie ou d'une explosion. La batterie est volontairement surchargée, surchauffée ou endommagée afin de vérifier comment elle réagit à ces conditions extrêmes. L'objectif de ce type de test est d'examiner le comportement de la batterie sous une charge extrême afin de s'assurer qu'elle est sûre et fiable et qu'elle ne présente aucun danger - en particulier dans les applications où elles peuvent provoquer des situations potentiellement dangereuses, comme dans les véhicules électriques ou les appareils électroniques portables. Les tests destructifs permettent de minimiser les risques d'accidents et d'incendies et donc de garantir une sécurité et une fiabilité accrues. Ils sont également une condition préalable à la mise sur le marché et au développement de nouvelles batteries.
Les contraintes environnementales et la prise de conscience croissante de la sécurité au travail empêchent les tests et essais en milieu ouvert ou dans d'anciennes habitations inoccupées (bunker, hangar) sans traitement ultérieur des gaz d'échappement. Ils ne peuvent donc pas faire partie d'un concept de test professionnel avec des conditions environnementales reproductibles.
Passage thermique trop chaud pour la cellule lithium-ion.
En règle générale, une batterie lithium-ion fonctionne en toute sécurité dans une plage de températures allant jusqu'à 100°C, sans qu'il y ait d'effets durables. Si le niveau de température s'élève au-delà, des réactions de décomposition correspondantes commencent à l'intérieur de la batterie. À partir d'une température d'environ 120 °C, on assiste d'abord à la décomposition de ce que l'on appelle l'interphase solide-électrolyte (SEI - Solid Electrolyte Interphase) et, un peu plus tard, à la dissolution progressive du matériau du séparateur entre l'anode et la cathode. En fonction de la composition des cellules d'une batterie, des réactions exothermiques se produisent à partir d'une plage de température de 160°C...200°C. Ce niveau de température est également caractéristique du début de l'emballement thermique (thermal runaway) de la batterie. Pour les batteries lithium-ion, l'atteinte de cet état dépend en premier lieu du type de défaillance de la cellule (condition d'abus) ainsi que de la composition de la cellule, car la vitesse d'augmentation de la température à l'intérieur de la cellule de la batterie en est fortement influencée.
Pour une augmentation de température de 10 K/s, on considère qu'il y a pénétration thermique. Lorsque cet état est atteint, il n'est plus possible d'empêcher un dégagement incontrôlable de chaleur, c'est-à-dire que la chaleur produite ne peut plus être évacuée dans une mesure suffisante. L'énergie thermique produite a pour effet d'accélérer encore les réactions exothermiques. En raison de l'augmentation de la température dans la batterie, il se forme une forte pression qui, à partir d'un certain niveau de pression, entraîne l'éclatement de la batterie. Dans cet état, du gaz chaud (venting gas) s'écoule de la batterie et est soit directement allumé par la température élevée de la cellule, soit réamorcé peu de temps après, lorsque l'énergie minimale d'allumage est disponible. Comme l'un des produits de la réaction de décomposition est, entre autres, l'oxygène, le processus de combustion est maintenu. Il n'est donc possible que d'endiguer les effets de l'incendie. Une extinction complète de l'incendie n'est pas possible.
Essais destructifs dans la simulation environnementale
| 1. Essais mécaniques | |
| Lors des essais mécaniques, un objet pénètre dans la batterie ou la piétine (intégrité mécanique). Par exemple, on étudie dans quelle mesure une pénétration de clou (court-circuit interne) ou un écrasement (crash) affecte la capacité de fonctionnement et le comportement de la batterie en matière de sécurité. | |
| 2. Essais thermiques | |
| Lors des essais thermiques, les batteries sont soumises à des températures ambiantes basses ou élevées, les essais de surchauffe en particulier entraînant dans la plupart des cas une rupture thermique. L'air environnant est chauffé ici jusqu'à 200°C ou plus, ce qui, après un certain temps, fait monter la batterie à un niveau de température critique par des processus de transfert de chaleur. | |
| 3. Essais électriques | |
| Lors des contrôles électriques, différents scénarios critiques qui peuvent exister en relation avec la périphérie électrique environnante sont examinés. Par exemple, un court-circuit est créé (court-circuit externe) ou la batterie est délibérément surchargée à un niveau de tension plus élevé. La batterie s'échauffe alors et passe également rapidement dans un état critique. | |
Pour déterminer un système de test adéquat, il est essentiel de savoir quel type de test est effectué et quels sont les effets attendus de l'objet testé lors du test. On en déduit le potentiel de risque, qui varie de « pas de danger » à l'explosion avec des gaz nocifs.