Revivez l’explosition d’une batterie lithium-ion en temps réel

Que se passe t-il exactement lorsqu’une batterie au Lithium-ion surchauffe et arrive au point de provoquer une explosion ? Pour la première fois une équipe de l’UCL a conduit une expérience qui examine en temps réel l’intérieur et l’extérieur de la batterie grâce à de l’imagerie 3D avancée.

Comprendre comment les batteries Li-ion se détériorent et éventuellement provoquent une réaction en chaîne dangereuse, permettra selon les scientifiques d’améliorer leur conception pour les rendre plus sûres à utiliser et à transporter.

Faisant désormais partie intégrante de notre vie, des centaines de millions de batteries rechargeables sont fabriquées et commercialisées chaque année pour alimenter en énergie les téléphones mobiles, les ordinateurs portables, les voitures et même les avions. Bien que l’explosion d’une batterie Li-ion reste – heureusement – assez rare, trois compagnies aériennes américaines ont annoncé leur intention de ne plus transporter en soute ce type de batterie. Cette décision fait suite aux essais de l’US Federal Aviation Administration qui a révélé qu’une surchauffe pouvait engendrer des incendies.

L’étude publiée dans Nature Communications, a été réalisée par l’UCL, l’ESRF (Le synchrotron européen), l’Imperial College de Londres et le National Physical Laboratory. Ellle montre pour la première fois comment des dommages structurels interne à la batterie évoluent en temps réel. Cette observation précise permettra de fournir des indications dans la façon dont le phénomène peut se propager aux batteries voisines.

"Nous avons combiné le synchrotron à rayons X de haute énergie avec l’imagerie thermique pour cartographier les changements de la structure interne et de la température externe de deux types de batteries Li-ion à des niveaux extrêmes de chaleur. Nous avions besoin exceptionnellement d’imagerie à haute vitesse pour capturer cet "emballement thermique" – où la batterie surchauffe et peut s’enflammer. Ceci a été réalisé dans l’installation européenne de rayonnement synchrotron ESRF où des images 3D peuvent être capturées en une fraction de seconde grâce à un flux de photons et d’un détecteur d’imagerie à très grande vitesse" a déclaré le doctorant Donal Finegan (UCL génie chimique).

L’équipe a examiné les effets de la formation de poches de gaz, de la ventilation et de la hausse des températures sur différentes couches à l’intérieur de deux modèles de batterie Li-ion. Elle les a exposé à des températures dépassant les 250°C.

La batterie avec support interne est restée en grande partie intacte jusqu’au début de "l’emballement thermique", à un stade où le matériau de cuivre recouvrant la cellule s’est mis à fondre à des températures pouvant indiquer jusqu’à ~ 1000°C. La diffusion de chaleur de l’intérieur vers l’extérieur de la batterie a causé une fuite thermique.

En revanche, la batterie sans support interne a provoqué l’explosion d’une partie de l’enveloppe de la pile et a éjecté son contenu. Avant "l’emballement thermique", le noyau compact s’est effondré, augmentant le risque de courts-circuits internes graves et de dommages aux objets proches.

"Bien que nous n’avons étudié que deux batteries commerciales, les résultats obtenus montrent l’utilité de notre méthode dans le suivi en 3D et en temps réel des dommages causés par une batterie. La destruction que nous avons pu observer a très peu de chance de se reproduire dans des conditions normales. En effet, nous avons poussé les batteries en les exposant à des conditions extrêmes, bien au delà des limites de sécurité recommandées. Cela était crucial pour nous de mieux comprendre comment le processus débutait et se propageait. Espérons que grâce à notre méthode, les caractéristiques de sécurité des batteries pourront être évaluées et améliorées" a précisé le Dr Paul Shearing (UCL génie chimique).

L’équipe envisage maintenant d’étudier ce qui se passe avec un échantillon plus large de batteries et, en particulier, ils vont enquêter sur la cause d’une panne de batterie répandue au niveau microscopique.

** Cette étude a été financée par la Royal Academy of Engineering, génie physique et Sciences Research Council (EPSRC) et du Laboratoire national de physique.

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