Sera solide

Jan 11, 2024

L'emballement thermique et les incendies de batterie associés se sont avérés être une préoccupation majeure pour les clients, les concepteurs de batteries et les fabricants de véhicules électriques. De nombreux véhicules ont connu des incendies de batterie et des centaines de milliers ont été rappelés. Bien que ces événements soient rares, ils peuvent être très graves et il est important d'assurer autant de sécurité pour les personnes à l'intérieur et autour de ces véhicules. Une question courante est de savoir si la prochaine technologie de batterie à semi-conducteurs sera plus sûre et cela éliminera-t-il le besoin de matériaux de gestion thermique et de protection contre les incendies ?

Le nouveau rapport d'IDTechEx "Batteries à semi-conducteurs et polymères 2023-2033 : technologie, prévisions, acteurs" examine les technologies, les acteurs, la sécurité et l'adoption des batteries à semi-conducteurs.

À première vue, les batteries à semi-conducteurs présentent divers avantages en matière de sécurité. Ils éliminent l'électrolyte liquide inflammable et peuvent le remplacer par un électrolyte solide ininflammable. Ils ont également généralement une fenêtre de température de fonctionnement plus large, ce qui rend potentiellement moins probable l'apparition d'un emballement thermique dû à une surchauffe des cellules. La chaleur générée par une panne de chauffage externe est également généralement réduite.

Cependant, cela ne raconte pas toute l'histoire. Le terme batterie à semi-conducteurs fait en fait référence à une foule de technologies de batterie. Dans certains cas, la batterie utilisera toujours un composant liquide pour l'échange d'ions (état semi-solide), ce qui signifie qu'un composant volatil est toujours présent. Certains électrolytes polymères à l'état solide ne seront pas complètement inflammables et tout électrolyte peut fondre si le système devient suffisamment chaud.

En 2022, l'opérateur de transport public à Paris a temporairement retiré 149 bus électriques après deux incendies de bus distincts. Les cellules utilisées ici devaient utiliser des batteries avec une cathode LFP, une anode en métal Li et un électrolyte polymère à l'état solide. Le fournisseur décrit ses batteries comme "complètement solides, sans composants liquides, sans nickel et sans cobalt".

Un autre exemple provient d'une étude de recherche basée sur la simulation des Sandia National Laboratories en 2022 (Hewson et. al., Joule, Vol.6, Numéro 4, 742-755) qui a comparé la sécurité d'une batterie entièrement à l'état solide, une batterie solide -état batterie avec électrolyte liquide ajouté dans la cathode, et une batterie Li-ion à base de liquide classique. L'étude a révélé qu'en cas de panne de chauffage externe, une batterie à semi-conducteurs avec une petite quantité d'électrolyte liquide génère moins de chaleur qu'une batterie Li-ion typique, mais plus qu'une batterie entièrement à semi-conducteurs. En cas de défaillance par court-circuit, la chaleur dégagée ne dépendait que de la capacité de la cellule. Étant donné que les batteries à semi-conducteurs peuvent avoir une densité d'énergie plus élevée, plus de chaleur pourrait être générée. Les températures d'emballement thermique typiques dont il est question pour les batteries Li-ion ordinaires se situent autour de 1 000 à 1 200 °C ; dans certains scénarios de cette recherche, l'élévation de température des batteries à semi-conducteurs a atteint près de 1800oC.

Le développement des batteries à semi-conducteurs est toujours en cours, mais le point à retenir est que les batteries à semi-conducteurs pourraient bien être plus sûres dans la plupart des cas. Pourtant, aucun système de batterie ne sera sûr à 100 %. Par conséquent, des matériaux de gestion thermique et de protection contre l'incendie seront toujours nécessaires pour fournir cette couche finale pour retarder la propagation du feu à l'extérieur du pack.

Les types de matériaux de protection contre les incendies utilisés pour les batteries à semi-conducteurs seront largement similaires à ceux utilisés pour les batteries Li-ion traditionnelles, le facteur de forme des cellules (cylindrique, prismatique, poche) et la conception globale du pack auront une plus grande impact sur le choix du matériau. Aujourd'hui, les matériaux couramment utilisés pour la protection passive contre l'incendie sont, entre autres, les feuilles de mica, les couvertures en céramique, les mousses d'encapsulation et les revêtements ignifuges. Les aérogels gagnent du terrain sur le marché et des options telles que les revêtements intumescents et les matériaux à changement de phase suscitent un intérêt accru.

Beaucoup de ces matériaux auraient du mal à supporter des températures supérieures à 1500oC. Pourtant, l'objectif final n'est pas nécessairement d'arrêter complètement la propagation, mais de la retarder le plus longtemps possible. En plus des performances à haute température, ces matériaux doivent de plus en plus gérer d'autres fonctions, telles que la conformabilité avec les cellules, les performances de compression et le coût. Le marché des véhicules électriques en croissance rapide, avec un accent accru sur la sécurité incendie, présentera une variété d'opportunités pour les matériaux de protection contre les incendies et ils ne seront pas éliminés par les technologies de batterie alternatives comme l'état solide.

Ce rapport a été rédigé par le Dr James Edmondson, analyste technologique principal chez IDTechEx.