Development of a Multi-Physics Numerical Framework for Lithium-Ion Cell Thermal Runaway

L’emballement thermique est le phénomène où une batterie au lithium libère soudainement de grandes quantités de chaleur en raison de réactions chimiques internes incontrôlées. Ce phénomène s’accompagne de la libération de gaz inflammables, créant d’importants risques d’incendie, notamment dans les moyens de transport électriques qui regroupent plusieurs centaines, voire milliers, de ces cellules. Si l’emballement se propage aux cellules voisines, il peut entraîner une réaction en chaîne dans l’ensemble du bloc-batterie. Dans ce mémoire, une revue de littérature sur l’emballement thermique et sa modélisation numérique est présentée. Le phénomène d’emballement thermique est étudié sous le prisme des batteries lithium-ion cylindriques 18650 utilisant la technologie NMC pour la cathode. Cette revue se divise en deux parties. La première décrit les causes et les différentes étapes de l’emballement thermique, ainsi que les dispositifs de sécurité intégrés par les constructeurs pour prévenir et limiter ce phénomène. Une vue d’ensemble de la génération de gaz est également fournie. Dans la seconde partie, l’état de l’art de la modélisation numérique de l’emballement thermique est présenté. Les modèles utilisés dans la littérature pour représenter les différents phénomènes sont détaillés. Un modèle numérique de l’emballement thermique pour une batterie lithium-ion 18650 NMC est ensuite développé à l’aide du logiciel commercial ANSYS Fluent. Les principales équations et les différents modèles employés sont décrits. De plus, la géométrie et les choix d’implémentation sont explicités. Les différents modèles de combustion disponibles dans Fluent sont étudiés avant la réalisation d’une simulation complète de l’emballement thermique et sa comparaison avec des résultats expérimentaux. Finalement, le modèle est utilisé pour modéliser deux batteries simultanément. Ce travail montre qu’il est possible de réaliser une simulation numérique capturant les principales étapes du phénomène d’emballement thermique à l’aide des outils disponibles dans ANSYS Fluent. Le modèle présenté intègre les principaux phénomènes, tels que la génération de gaz et de chaleur, le dégazage, la combustion et la propagation, tout en étant adaptable. La modélisation d’un bloc batterie est également possible, avec chaque cellule capable d’entrer individuellement en emballement thermique.