Modeling and Simulation of a Lithium-ion Battery Cell Thermal Runaway for the Propagation Risks at Module and Pack Scales studies
Dans le cadre de cette thèse, le comportement thermique et aérodynamique externe d'une cellule lithium-ion de type 18650 en situation d'emballement thermique est étudié, afin de relier les réactions internes de décomposition à la formation du jet de flamme et aux risques thermiques associé...
Gorde:
| Egile nagusia: | |
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| Beste egile batzuk: | , , , , , , |
| Formatua: | Thèse numérique |
| Hizkuntza: | Anglais Français |
| Argitaratua: |
2026.
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| Gaiak: | |
| Sarrera elektronikoa: | Accès Université d'Orléans et IFPM |
| Oharra: |
Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU Partenaire(s) de recherche : ICARE - Institut de Combustion, Aérothermique, Réactivité, Environnement (Laboratoire), Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Pierre-Xavier Thivel (Président du jury) ; Ahmed Bentaïb, Knut Vågsæther, Silvana De Iuliis, Pierre Coste (Membre(s) du jury) ; Ahmed Bentaïb, Knut Vågsæther (Rapporteur(s)) Thèse sous embargo actif |
| Autres localisations: | Voir dans le Sudoc |
| Variante du titre: | Modélisation et simulation de l'emballement thermique d'une cellule de batterie en vue d'étudier les risques de propagation aux échelles module et pack |
| Gaia: | Dans le cadre de cette thèse, le comportement thermique et aérodynamique externe d'une cellule lithium-ion de type 18650 en situation d'emballement thermique est étudié, afin de relier les réactions internes de décomposition à la formation du jet de flamme et aux risques thermiques associés, dans des conditions réalistes de confinement. Un modèle numérique de dynamique des fluides (CFD) intégrant la combustion (cinétique et turbulente), le transport des particules éjectées, le rayonnement thermique et les transferts de chaleur avec les parois a été développé. Trois configurations expérimentales complémentaires ont permis son développement et sa validation : (i) un tube fermé pour quantifier l'énergie totale libérée et la surpression de combustion en l'absence d'oxygène, (ii) un tube ouvert permettant l'observation du jet et de la flamme de diffusion avec entraînement de l'air ambiant, (iii) une configuration confinée sous plaque représentant une situation proche de l'environnement d'un module. Les résultats montrent que l'ordre de grandeur de l'énergie de l'emballement peut être déterminé avec une grande fiabilité dans la configuration fermée, ce qui permet d'alimenter des scénarios ventilés. Dans le cas ouvert, une flamme de diffusion stable s'ancre au niveau de l'orifice ; les gradients thermiques les plus élevés sont localisés dans les premiers centimètres du jet, là où le mélange gaz-air et les particules chaudes jouent un rôle déterminant. En configuration confinée, la structure du jet devient stratifiée et la durée d'échauffement est prolongée en raison de la dévolatilisation des éjectas solides. Le modèle CFD reproduit avec précision les phénomènes observés dans l'ensemble des configurations, sans ajustement spécifique des paramètres. Ce travail fournit ainsi un cadre cohérent pour la compréhension et la prédiction du comportement des jets d'emballement thermique et met en évidence l'importance des particules éjectées dans la distribution des flux thermiques. Les conclusions contribuent à l'amélioration de la conception sécuritaire des modules de batteries, notamment en matière de dimensionnement des évents, d'espacements, de protections thermiques et de stratégies de détection précoce. La thèse établit une base de données de référence ainsi qu'un outil numérique dont l'application pourrait être étendue à l'échelle du pack. This dissertation investigates the external thermal and fluid-dynamic behavior of a lithium-ion 18650 cell undergoing thermal runaway, with the aim of linking internal reaction energetics to the resulting jet flame structure and thermal hazard in realistic confinement conditions. The development and validation of a computational fluid dynamics (CFD) model incorporating finite-rate and turbulence-driven combustion, particulate ejecta transport, radiation heat transfer, and thermodynamic coupling with surrounding boundaries were carried out. Three complementary experimental configurations, serving as the foundation for its development and validation, were designed: (i) a closed vessel to quantify total heat release and pressure rise under oxygen-limited conditions, (ii) an open-end vessel to observe jet formation and diffusion flame behavior with ambient air entrainment, (iii) a confined under-plate geometry representative of enclosure or module-level constraints. The results show that the total energy release scale during thermal runaway can be reliably extracted from the closed-vessel configuration and transferred to vented scenarios. In the open-end case, a stable diffusion flame forms near the vent, with the highest temperature gradients occurring in the first centimeters of the jet, governed by the interplay between mixing and particle-assisted heat transport. Under confinement, the jet exhibits layered flame structures and extended heating durations due to residual devolatilization of hot solid ejecta. The CFD model accurately reproduces key features observed experimentally across all configurations, demonstrating predictive capability without case-specific parameter tuning. This work provides a consistent modeling for understanding and predicting thermal runaway jet behavior and highlights the importance of particulate ejecta in shaping heat flux distributions. The findings support improved safety-oriented design of battery modules, including vent sizing, spacing strategies, thermal shielding, and early detection measures. The dissertation establishes both a fundamental knowledge base and a computational toolset that could be extended to larger, pack-level systems. |
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| Alearen deskribapena: | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU Partenaire(s) de recherche : ICARE - Institut de Combustion, Aérothermique, Réactivité, Environnement (Laboratoire), Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Pierre-Xavier Thivel (Président du jury) ; Ahmed Bentaïb, Knut Vågsæther, Silvana De Iuliis, Pierre Coste (Membre(s) du jury) ; Ahmed Bentaïb, Knut Vågsæther (Rapporteur(s)) Thèse sous embargo actif |
| Formatua: | Configuration requise : un logiciel capable de lire un fichier au format : PDF |
| Sartu: | Thèse soumise à l'embargo de l'auteur jusqu'au 21 mai 2028 |