Etude expérimentale des transferts de chaleur et de masse mis en jeu lors de l'emballement thermique d'une cellule Li-ion
Les batteries Li-ion offrent de nombreux avantages, notamment une densité énergétique et une puissance élevées, un rendement important et une longue durée de vie. Ces qualités les ont rendues indispensables dans divers domaines, tels que les transports, les appareils portables et les systèmes de sto...
Spremljeno u:
| Glavni autor: | |
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| Daljnji autori: | , , , , , , |
| Format: | Thèse numérique |
| Jezik: | Français |
| Izdano: |
2025.
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| Teme: | |
| Online pristup: | Accès Université d'Orléans et IFPM |
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Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Pierre-Xavier Thivel (Président du jury) ; Benoît Cagnon, Alain Bengaouer (Membre(s) du jury) ; Olivier Mathieu, Gilles Pijaudier-Cabot (Rapporteur(s)) Thèse sous embargo actif |
| Autres localisations: | Voir dans le Sudoc |
| Variante du titre: | Experimental study of the heat and mass transfer involved in the thermal runaway of a Li-ion cell |
| Sažetak: | Les batteries Li-ion offrent de nombreux avantages, notamment une densité énergétique et une puissance élevées, un rendement important et une longue durée de vie. Ces qualités les ont rendues indispensables dans divers domaines, tels que les transports, les appareils portables et les systèmes de stockage destinés à stabiliser la production de l'énergie renouvelable. Cependant malgré leur déploiement et leurs performances remarquables, elles peuvent présenter des risques lors de leur fabrication, transport, utilisation ou recyclage. Le risque principal est celui de l'emballement thermique (ET). Celui-ci peut être déclenché par un abus externe (mécanique, thermique ou électrique) ou par un défaut de fabrication. Dans tous les cas, ces conditions provoquent une élévation de température et de pression interne, entraînant une série de réactions exothermiques incontrôlées. Si la puissance thermique produite dépasse la capacité de dissipation vers l'environnement, la batterie entre en emballement thermique. Ses conséquences ne se limitent pas à un fort dégagement de chaleur : il s'accompagne également d'éjection de gaz, de particules solides et de liquides, souvent toxiques, inflammables ou explosifs. Garantir la sécurité des batteries Li-ion est donc un enjeu critique, qui concerne autant les fabricants que les utilisateurs. Elle doit être assurée à toutes les échelles, de la chimie des matériaux jusqu'aux packs de batteries. Dans cette thèse, l'attention est portée sur l'étude de l'ET à l'échelle de la cellule. Une première étape a consisté en une revue bibliographique des méthodes de caractérisation et des dispositifs expérimentaux permettant d'analyser les transferts de chaleur et de masse associés à ce phénomène. L'analyse de la littérature montre que de nombreux paramètres influencent l'ET : la chimie de la cellule, sont état de charge et de santé, la méthode d'initiation ou encore le type de dispositif. Bien que de nombreuses études aient été publiées, peu d'études se sont intéressées à l'influence de la configuration expérimentale sur la caractérisation de l'ET. De plus, la forte variabilité des résultats rend les comparaisons difficiles et empêche d'aboutir à des conclusions claires sur la sécurité des cellules. Il est donc essentiel de déterminer l'impact de dispositif expérimental sur la caractérisation de l'ET. L'objectif central de cette thèse est de définir un protocole et une méthodologie capables d'identifier ces effets. Cette méthodologie consiste à appliquer le même type d'abus sur une même cellule, à tester cette cellule dans différents dispositifs expérimentaux sous différents conditions environnementales. Elle inclut également l'étude du rôle des gaz (quantification et analyse de la composition) et des particules solide (morphologie, taille, composition chimique). En parallèle, une approche numérique est développée à partir d'un modèle thermochimique simplifié basé sur la minimisation de l'énergie de Gibbs. Enfin, une étude est menée sur l'impact des particules sur les propriétés de combustion des gaz afin de mieux comprendre les phénomènes de combustion hybride. L'ensemble de ce travail vise à aboutir à une évaluation complète des risques associés à la cellule testée et à établir une cartographie de son comportement en situation d'emballement thermique. Li-ion batteries offer many advantages, including high energy and power density, high efficiency, and long life. These advantages have made them a preferred choice for several applications such as transportation, portable devices, and storage system designed to stabilize renewable energy production. However, despite their widespread use and remarkable performance, they can pose safety risks, during manufacturing, transportation, usage and recycling. The main risk is thermal runaway (TR). TR can be triggered by external abuse (mechanical, thermal, or electrical) or by a manufacturing defect. In all cases, these conditions drive a rise in temperature and internal pressure, leading to uncontrolled exothermic reactions where the heat released exceeds the heat dissipation capacity, ultimately pushing the cell into runaway. The consequences extend beyond the heat release itself: TR is often accompanied by the ejection of gases, solid particles, and liquids, many of which are toxic, flammable, or explosive. Ensuring the safety of Li-ion batteries is therefore a critical challenge that concerns both manufacturers and users, and it must be guaranteed at all levels, from the chemistry of the materials to the battery packs. This thesis focuses on the study of TR at the cell scale. The first step involved a literature review of characterization methods and experimental devices used to investigate the associated heat and mass transfers. The analysis shows that many parameters affect TR: cell chemistry, state of charge and health, initiation method, and device configuration. While numerous studies have been published, only a few have examined the specific influence of experimental setup on TR characterization. Moreover, the high variability or reported results complicates comparisons and prevents clear conclusions from being drawn about cell safety. It is therefore essential to evaluate the impact of experimental setup on TR analysis. The main objective of this work is to establish a protocol and methodology capable to identifying these effects. This involves applying the same abuse condition to identical cells tested in different experimental setups under varying environment. It also includes detailed studies of the gases (quantification and composition analysis) and solid particles (morphology, size, chemical composition) released during TR. In parallel, a numerical approach is developed using a simplified thermochemical equilibrium model based on Gibbs free energy minimization. Finally, the impact of particles on the combustion properties of the vented gases is investigated to gain insights into hybrid combustion behavior. Altogether, this work aims to provide a comprehensive assessment of the risk associated with the tested cell and to map its behavior under thermal runaway conditions. |
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| Opis djela: | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Pierre-Xavier Thivel (Président du jury) ; Benoît Cagnon, Alain Bengaouer (Membre(s) du jury) ; Olivier Mathieu, Gilles Pijaudier-Cabot (Rapporteur(s)) Thèse sous embargo actif |
| Format: | Configuration requise : un logiciel capable de lire un fichier au format : PDF |
| Pristup: | Thèse soumise à l'embargo de l'auteur jusqu'au 12 décembre 2026 |