Analysis and Modelling of Li-Ion Cells Degassing and Combustion under Thermal Runaway

L'emballement thermique est un phénomène inhérent aux cellules lithium-ion à électrolyte liquide. Il se caractérise par une montée soudaine en température suivie d'une éjection de gaz à haute vitesse généralement accompagnée d'une flamme. Le phénomène ne dure que quelques secondes (i.e. entre 5 s et 30 s) mais libère une grande quantité d'énergie (i.e. jusqu'à 100 kJ) et de gaz inflammables et toxiques. Dans ce travail, une revue de littérature sur l'emballement thermique est d'abord présentée. Celle-ci décrit le phénomène, retrace les différentes normes industrielles liées à cette instabilité thermique et présente les effets de paramètres tels que l'état de charge (SOC) et le vieillissement sur le comportement des cellules durant l'emballement thermique. Ensuite, des tests expérimentaux permettant d'étudier les effets du taux de chauffe et du vieillissement sont réalisés à l'aide d'un calorimètre à cône couplé à un système de chauffe. La composition du relâchement gazeux est étudiée grâce à un spectromètre de masse et deux spectromètres à particule permettent d'obtenir les distributions de taille. Des mesures de température par thermographie infrarouge sont aussi réalisées à l'aide d'une caméra multispectrale. Enfin, trois modélisations numériques de la combustion sont implémentées dans l'environnement Cantera. Cette étude montre que le taux de chauffe a une influence sur la température initiale de l'emballement thermique, celle-ci étant plus importante lorsque la montée en température est plus rapide. Le taux de chauffe impacte aussi la chronologie de l'emballement thermique (i.e. emballement thermique spontané ou non). Les effets du vieillissement ne sont pas clairement identifiés dans le faible nombre d'expériences réalisées mais l'énergie dégagée durant l'emballement thermique semble être minimale pour les cellules vieillies de manière cyclique. Plusieurs espèces gazeuses (H2, H2O, CO2, DMC, C3H6, C6H6 et LiF) sont identifiées durant deux phases distinctes de dégazage. Deux pics de concentration sont identifiés dans la distribution de taille de particules, le premier se situant pour des particules de diamètre inférieur à 50 nm et le deuxième pour des particules de diamètre compris entre 100 nm et 150 nm. Enfin, les modélisations de combustion permettent d'approximer les températures de flamme produites lors des expériences d'emballement thermique et d'identifier les produits de combustion.