Simulation aux Grandes Echelles de Feux de Batteries Lithium-ion pour le Diagnostic de l’Emballement Thermique

Large Eddy Simulation of Lithium-ion battery fire for the diagnostic of Thermal Runaway

• Auteur / Autrice : Antony Cellier
• Direction : Florent Duchaine, Thierry Poinsot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 22/09/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Noiray
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florent Duchaine, Thierry Poinsot, Nicolas Noiray, Marc Bellenoue, Frédéric Ravet, Ronan Vicquelin, Gizem Okyay
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Epaminondas Mastorakos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Batteries lithium-ion

Simulation des grandes échelles

Mots clés libres

Combustion

Lithium-ion

Emballement thermique

Simulation aux Grandes Echelles

Combustion

Lithium-ion

Thermal Runaway

Large Eddy Simulation

Résumé

La mise en place d’un approvisionnement en énergies plus durables amène une évolution de la demande en systèmes de stockage performants et sûrs. Parmi les solutions souvent citées, les batteries Lithium-ion héritent d’une certaine maturité, due à trois décennies de développement et de mises sur le marché. Cependant, mal utilisées ou dans l’éventualité d’un défaut de fabrication, une batterie peut déclencher des réactions de décomposition, aussi appelées un emballement thermique. Ces réactions produisent de la chaleur et des gaz inflammables pouvant causer un feu lorsque la batterie dégaze. Lors d’un emballement thermique typique, trois événements mettant en scène un écoulement critique sont observés : 1. Un jet sous-détendu dû à la forte pression interne des batteries au moment du dégazage, 2. Des flammes jets en présence d’une source d’allumage, 3. Une explosion si l’allumage est retardé et les gaz ont le temps de se mélanger à l’air ambiant. Être capable de simuler ces événements permettrait de sélectionner des designs sûrs à un coût de prototypage faible. Cette étude propose une méthodologie pour la simulation de scenarios de combustion liés aux batteries, grâce à la Simulation aux Grandes Échelles réactive. Tout d’abord, l’identification des gaz émis par une batterie en défaut est faite, permettant la production d’un schéma cinétique réduit dédié aux feux de batteries. Suivant l’évaluation des modèles à utiliser en 1D, une validation complète du setup 3D est faite sur des résultats expérimentaux préparés à l’institut P’ pour les jets et feux, et tirés de la littérature pour les explosions. Une fois le setup validé, des cas d’application sont donnés, permettant de souligner l’effet de certains choix de design sur le déroulement des phases de l’emballement. Ce travail soulève les points durs nécessairement rencontrés lorsque des accidents liés aux feux de batteries sont à reproduire par la simulation. Des propositions sont faites pour les supprimer, motivant une utilisation plus répandue de la simulation 3D d’écoulements réactifs durant les phases de prototypage. Cela prend en compte l’ouverture, les feux et explosions liées aux batteries Lithium-ion.

The development of more sustainable energy supply chains is accompanied by an evolution of the demand for safe and efficient storage solutions. Among them, Lithium-ion batteries benefit from the maturity of a technology developed and applied for more than three decades. However, when misused or in case of a manufacturing defects, Lithium-ion batteries may uncontrollably trigger decomposition reactions: the so-called Thermal Runaway process. The reactions produce heat and flammable gases, leading to fires when the battery vents out these gases. During a typical Thermal Runaway course, three main flow scenarios are identified: 1. Under-expanded jets at opening due to the high pressure inside the battery, 2. Jet fires in case of ignition, 3. Explosions in case of delayed ignition. Being able to simulate these events can help to target safer battery designs at a minimal prototyping cost. This study thus aims at proposing a methodology to simulate failing Lithium-ion batteries-related combustion scenarios, using 3D reactive Large Eddy Simulation. The setup of such a simulation framework begins with the identification of the vent gases, their source and the way they can be modeled efficiently. An Analytically Reduced Chemistry kinetic scheme is then proposed to ensure the representativeness of the combustion processes at optimal costs when targeting 3D scenarios. After a setup phase in 1D, the validation of the 3D Large Eddy Simulation framework is performed on dedicated experimental setups developed and operated at the P’ institute for jets and fires and obtained from the literature concerning explosions. Once validated, applications help to evaluate the capability of the simulation setup to target a variety of problems related to Lithium-ion, including effects of simple design choices on each phase of the Thermal Runaway. This work identifies the difficulties encountered when simulating Lithium-ion related accidents. Propositions are made to alleviate them, helping to advocate for the use of simulations during prototyping phases, to assert venting, fires or explosions of batteries.