L’emballement thermique et les incendies associés aux batteries se sont révélés être une préoccupation majeure pour les clients, les concepteurs de batteries et les fabricants de véhicules électriques. De nombreux véhicules ont subi des incendies de batterie et des centaines de milliers ont été rappelés. Bien que ces événements soient rares, ils peuvent être très graves et il est important d’assurer autant que possible la sécurité des personnes à l’intérieur et autour de ces véhicules. Une question courante est de savoir si la future technologie de batterie à semi-conducteurs sera plus sûre et éliminera ainsi le besoin de matériaux de gestion thermique et de protection contre les incendies.
Le nouveau rapport IDTechEx « Batteries à semi-conducteurs et polymères 2023-2033 : technologie, prévisions, acteurs » examine les technologies, les acteurs, la sécurité et l’adoption des batteries à semi-conducteurs.
Les batteries à semi-conducteurs sont-elles plus sûres ?
À première vue, les batteries à semi-conducteurs présentent divers avantages en matière de sécurité. Ils éliminent l’électrolyte liquide inflammable et peuvent le remplacer par un électrolyte solide ininflammable. Ils ont également généralement une fenêtre de température de fonctionnement plus large, ce qui peut réduire le risque d’emballement thermique en surchauffant la cellule. La chaleur générée par la panne du chauffage externe est également réduite.
Cependant, cela ne raconte pas toute l’histoire. Le terme batterie à semi-conducteurs fait en fait référence à un certain nombre de technologies de batterie. Dans certains cas, la batterie utilisera toujours un composant liquide pour l’échange d’ions (semi-solide), ce qui signifie qu’un composant volatil est toujours présent. Certains électrolytes polymères à l’état solide ne seront pas complètement inflammables et tout électrolyte peut fondre si le système devient suffisamment chaud.
En 2022, l’opérateur des transports publics parisiens a temporairement retiré 149 bus électriques après deux incendies distincts. Il a été indiqué que les cellules utilisées ici utilisent des batteries avec cathode LFP, anode métallique Li et électrolyte polymère à l’état solide. Le fournisseur décrit ses batteries comme « complètement solides, sans liquide, sans nickel et sans cobalt ».
Un autre exemple provient d’une étude de recherche basée sur la simulation des Sandia National Laboratories en 2022 (Hewson et. al., Joule, Vol.6, Numéro 4, 742-755) qui a comparé la sécurité d’une batterie à semi-conducteurs, une batterie solide . -état batterie avec électrolyte liquide ajouté dans la cathode et une batterie Li-ion à base de liquide classique. L’étude a révélé qu’en cas de défaillance du chauffage externe, une batterie à semi-conducteurs avec une petite quantité d’électrolyte liquide génère moins de chaleur qu’une batterie Li-ion typique, mais plus qu’une batterie à semi-conducteurs. Pour le défaut de court-circuit, la chaleur dégagée ne dépendait que de la capacité de la cellule. Étant donné que les batteries à semi-conducteurs peuvent avoir une densité d’énergie plus élevée, plus de chaleur pourrait être générée. Les températures thermiques typiques dont on parle pour les batteries Li-ion ordinaires se situent autour de 1000-1200unC; Dans certains scénarios de cette recherche, l’élévation de température des batteries à semi-conducteurs a atteint près de 1800unC
Le développement des batteries à semi-conducteurs est toujours en cours, mais l’essentiel est que les batteries à semi-conducteurs peuvent être plus sûres dans la plupart des cas. Cependant, aucun système de batterie ne sera sûr à 100 %. Par conséquent, des matériaux de gestion thermique et de protection contre l’incendie seront toujours nécessaires pour fournir cette dernière couche afin de retarder la propagation du feu à l’extérieur de l’emballage.
Solutions pour les matériaux de protection incendie
Les types de matériaux de protection incendie utilisés pour l’état solide seront largement similaires à ceux utilisés pour les batteries Li-ion traditionnelles, le facteur de forme des cellules (cylindrique, prismatique, poche) et la conception globale de l’emballage auront un plus grand . impact sur le choix du matériau. Aujourd’hui, les matériaux couramment utilisés pour la protection passive contre l’incendie sont, entre autres, les feuilles de mica, les couvertures en céramique, les mousses d’encapsulation et les revêtements ignifuges. Les aérogels gagnent des parts de marché et des options telles que les revêtements intumescents et les matériaux à changement de phase suscitent un intérêt accru.
Beaucoup de ces matériaux auraient du mal à résister à des températures supérieures à 1500unC. Cependant, le but ultime n’est pas nécessairement d’arrêter complètement la propagation, mais de la retarder autant que possible. En plus des performances à haute température, ces matériaux doivent de plus en plus répondre à d’autres fonctions telles que la conformité des cellules, les performances de compression et le coût. Le marché des véhicules électriques en croissance rapide, avec un accent accru sur la sécurité incendie, présentera une variété d’opportunités pour les matériaux de protection incendie et celles-ci ne seront pas éliminées par les technologies de batterie alternatives telles que l’état solide.
Ce rapport a été produit par le Dr James Edmondson, analyste technologique principal chez IDTechEx.