Compréhension et modélisation de l’emballement thermique des batteries Li-ion

Understanding and modelling the thermal runaway of Li-ion batteries

• Auteur / Autrice : Thi Thu Dieu Nguyen
• Direction : Stéphane Laruelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Génie électrochimique
• Date : Soutenance le 04/02/2021
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de réactivité et chimie des solides (Amiens ; 1968-....) - Laboratoire réactivité et chimie des solides - UMR CNRS 7314 / LRCS
• Jury : Président / Présidente : Serge Pélissier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Laruelle, Guillermo Rein, Sylvie Grugeon-Dewaele, Guy Marlair, Julien Bernard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillermo Rein

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesures de sécurité

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Batteries Li-ion

Sécurité

Emballement thermique

Vieillissement

Modélisation

Tests abusifs

Safety

Thermal Runaway

Aging

Modelling

Abusive tests

Résumé

Au regard du problème de sécurité récurrent constaté depuis la commercialisation des batteries au lithium-ion (LIBs), associé à un manque de maîtrise du risque d'emballement thermique qui les caractérisent, cette thèse vise à approfondir la compréhension et la modélisation de ce phénomène complexe à l'échelle cellulaire, en prenant en compte l'influence des nouvelles technologies hautement réactives (dopage en Ni) ainsi que les influences de l'état de charge (SOC) et du vieillissement, afin de comprendre le rôle de ces facteurs clés pour une conception et un fonctionnement intrinsèquement plus sûr de telles batteries au lithium-ion. Grâce à la synergie offerte par les études expérimentales et de modélisation combinées de cette thèse, les connaissances en termes d'initiation et d'évolution de l'emballement thermique des batteries Li-ion riches en Ni se sont enrichies. L'étude de modélisation conduit au développement d'un modèle 3D d'emballement thermique étendu pour prédire les comportements de différentes batteries Li-ion en champ temporel proche et pendant le processus d'emballement thermique. L'étude expérimentale examine l'emballement thermique des LIBs et fournit des bases de données suffisantes pour la calibration et la validation du modèle prédictif. Le modèle développé peut être utilisé comme outil de simulation pour explorer plus de scénarios de cellules subissant un emballement thermique dans des conditions spécifiées pour lesquelles un paramétrage adéquat peut être défini en relation avec la physique sous-jacente. Ce travail ouvre de nouvelles perspectives en matière de stratégie de gestion de la sécurité des batteries Li-ion

Since the commercialization of Lithium-Ion Battery (LIB) by Sony Inc. in 1991 until today, recurrent incidents involving LIBs have been reported worldwide. During these incidents, the most energetic catastrophic failure of a LIB system is the thermal runaway event. With the emergence of highly reactive Ni-rich LIBs in the market, battery safety is becoming even more critical because these newly introduced LIBs present such high energy density which could lead to more catastrophic events subsequent to the thermal runaway. Therefore, this thesis aims to go deeper into the understanding and modelling of this complex phenomenon at cell scale, taking into account the influence of novel highly reactive technologies and the influence of state of charge (SOC) and aging, in order to understand what the key factors are towards inherently safer design and operation of LIBs. Thanks to the synergism offered by combined experimental and modelling studies of this thesis, knowledge in terms of initiation and evolution of the thermal runaway of Ni-rich Li-ion batteries has been enriched. The modelling study leads to the development of a 3D extended thermal runaway model to predict the behaviours of different Li-ion batteries nearby and during thermal runaway. The experimental study investigates the thermal runaway of LIBs and provides suitable databases for the predictive model calibration and validation. The developed model can be used as a simulation tool to explore more scenarios of cells undergoing thermal runaway in specified conditions for which adequate parameterization can be defined in relation with underpinning physics. This contributes to the future Li-ion battery safety management system in depth