PASérie CK Manufacturing Technology : Analyse de l'emballement thermique des batteries et de la technologie des matériaux d'isolation thermique
Le moment flamboyant : l’avertissement sévère concernant l’emballement thermique des batteries au lithium et la bouée de sauvetage des matériaux d’isolation
En 2024, une usine de batteries au lithium dans la province de Gyeonggi, en Corée du Sud, a soudainement explosé et pris feu, coûtant la vie à 23 travailleurs en seulement 15 secondes.
En 2025, un Xiaomi SU7 est entré en collision alors qu’il roulait à grande vitesse, et trois personnes à l’intérieur du véhicule n’ont pu être sauvées…
Qu'il s'agisse des véhicules à énergie nouvelle qui roulent à toute vitesse sur les routes ou des centrales électriques de stockage d'énergie qui soutiennent la transition énergétique verte, les accidents d'incendie et d'explosion provoqués par l'emballement thermique des cellules des batteries au lithium ne sont plus des nouvelles isolées. Derrière ces données choquantes se cache un grave défi en matière de sécurité. Des statistiques incomplètes montrent qu’en 2024, plus de 30 % des incendies dans les stations de stockage d’énergie dans le monde pourraient être imputés à l’emballement thermique des batteries au lithium. Dans le domaine des véhicules à énergies nouvelles, lorsqu'une batterie prend feu, le taux de mortalité des occupants atteint le chiffre stupéfiant de 70 % !
Face à une menace de sécurité aussi fréquente et entraînant un taux de mortalité élevé, il est extrêmement urgent de mettre en place un système efficace de protection contre l'emballement thermique. Parmi ceux-ci, les matériaux d'isolation des batteries jouent un rôle crucial en tant que « gardiens de la barrière thermique ». Alors, comment peuvent-ils exactement contenir la propagation de la chaleur et gagner un temps de fuite précieux en cas de catastrophe ? Quels sont les principaux types de matériaux isolants actuellement disponibles, gardant cette frontière entre la vie et la mort ?
I. Emballement thermique et barrière thermique
1. Incendies de batteries au lithium : emballement rapide à haute température et réaction en chaîne
Une fois qu’une batterie au lithium prend feu, ses caractéristiques sont distinctes : combustion rapide, flammes intenses, énorme pouvoir destructeur et extrême difficulté d’extinction. Le principal danger réside dans le processus d’emballement thermique de la cellule. Il ne s’agit pas d’une explosion instantanée mais plutôt d’une réaction en chaîne impliquant un gonflement, un dégagement de fumée, une inflammation violente et une brûlure intense. Ce processus libère une énorme chaleur, avec des températures maximales atteignant 450°C à 600°C.
Ce qui est plus dangereux, c'est que des températures élevées localisées peuvent rapidement déclencher une propagation thermique en chaîne vers les cellules adjacentes, conduisant finalement à un incendie, voire à une explosion.
Les principaux déclencheurs de ce « désastre en chaîne » se répartissent en trois catégories :
Dommages physiques : destruction par une force externe telle qu'une collision, un écrasement ou une perforation.
Abus de température : température élevée externe ou surchauffe locale interne.
Abus électrique : surcharge, décharge excessive ou court-circuit externe.
2. Technologie de barrière thermique : le « pare-feu » pour contenir la propagation des catastrophes
La mission principale de la technologie des barrières thermiques est d’intercepter efficacement le choc thermique mortel, la fumée à haute température et le rayonnement des flammes libérés par une batterie en fuite, coupant ainsi le chemin du transfert de chaleur vers les cellules voisines. Sa valeur réside dans :
Affaiblir le pouvoir destructeur du feu.
Gagner un moment critique pour la lutte contre les incendies et le sauvetage.
Maximiser la protection de la sécurité du personnel.
Le système technologique actuel de protection contre l’emballement thermique comprend principalement trois directions :
Surveillance et refroidissement intelligents : surveillance en temps réel de l'état de la batterie, déclenchant activement des mesures de refroidissement ou d'extinction d'incendie en cas d'anomalie.
Protection structurelle (isolation physique) : construction d'une barrière isolante (matériaux clés) entre les cellules pour bloquer la propagation de l'emballement thermique.
Lutte d'urgence contre les incendies : mise en œuvre rapide d'une extinction efficace des incendies (telle que le refroidissement par eau par immersion, la pulvérisation de perfluorohexanone, etc.) après un emballement thermique.
Cet article présente principalement la technologie de conception de structures de sécurité, qui empêche la chaleur générée par une cellule d'emballement thermique de se transférer aux cellules adjacentes, empêchant ainsi une réaction en chaîne.
II. Principaux types de matériaux de barrière thermique
Les matériaux d'isolation thermique actuellement couramment utilisés pour les batteries de puissance comprennent la mousse ignifuge, les matériaux en feutre d'aérogel, les plaques de mica, les composites de caoutchouc de silicone céramifiables, les composés d'enrobage ignifuges et les panneaux d'isolation sous vide. Le panneau isolant intercellulaire à l'intérieur d'un module de batterie est un dispositif de protection thermique placé entre les cellules individuelles, retardant ou bloquant efficacement la propagation de l'emballement thermique d'une seule cellule à l'ensemble du système de batterie. Il doit généralement posséder les performances suivantes :
1. Mousse ignifuge
Principaux types : Mousse de polyuréthane (PU), mousse EVA, caoutchouc de silicone, etc.
Ceux-ci sont généralement fabriqués à partir des matériaux de base mentionnés ci-dessus grâce à des procédés de moussage spéciaux. Ils offrent de bonnes performances d’isolation thermique et une excellente compressibilité, ce qui leur permet d’absorber pleinement les forces d’expansion générées par les cycles cellulaires.
2. Matériaux en feutre d'aérogel
Les aérogels peuvent être classés en vrac, en poudre et en film. Leurs performances d’isolation thermique exceptionnelles proviennent de leur structure poreuse.
La taille des pores de l'aérogel est plus petite que le libre parcours moyen des molécules d'air sous pression atmosphérique, par conséquent les molécules d'air à l'intérieur des pores sont presque stationnaires, évitant ainsi le transfert de chaleur par convection de l'air.
Les matériaux en feutre d'aérogel, fabriqués avec de l'aérogel SiO2 comme noyau, mélangés à de la fibre de verre ou de la fibre céramique, ont un coefficient de conductivité thermique aussi bas que 0,013 à 0,025 W/m·K.
L'aérogel offre le meilleur effet isolant par unité de volume et fournit également un effet d'allègement significatif (l'aérogel a une densité extrêmement faible, étant l'un des matériaux solides les plus légers connus, offrant un amincissement et une réduction de poids de 3 à 8 fois par rapport aux matériaux isolants traditionnels).
Cependant, bien que les performances d'isolation thermique de l'aérogel soient exceptionnelles, sa déformation par compression est limitée et sa capacité tampon/absorption est encore insuffisante face aux forces d'expansion générées lors des cycles cellulaires. Par conséquent, il est généralement utilisé en conjonction avec une mousse de rembourrage.
3. Plaque de mica
Composition principale : Composite pressé à partir de papier mica (90%) et de caoutchouc silicone (10%).
Caractéristiques:
Résistance aux hautes températures : température d'utilisation continue de 500 à 850 °C, intermittente jusqu'à 1 050 °C.
Isolation : Résistance au claquage ≥20 kV/mm, résistivité volumique >10¹⁴ Ω·cm.
Résistance mécanique : Résistance à la flexion >200 MPa, résistance à la corrosion chimique.
Emplacement d'application : des plaques de mica sont couramment utilisées entre le module et le couvercle du boîtier pour empêcher la fumée à haute température éjectée de l'évent après un emballement thermique de la cellule de fondre à travers le couvercle ou d'endommager les composants structurels du module.
4. Composé d’empotage ignifuge
Pour les PACK à cellules cylindriques, étant donné que la plus grande surface de la cellule est cylindrique, des composés d'enrobage ignifuges sont également couramment utilisés comme matériaux isolants. Par exemple, la batterie de puissance de Tesla utilise des composés d'enrobage pour combler les espaces entre les batteries cylindriques, permettant ainsi d'éviter le transfert de chaleur entre les cellules, d'améliorer la résistance aux chocs et d'améliorer la stabilité thermique et mécanique globale de la batterie.
Composition principale : Matériau de base, agent de durcissement, additifs ignifuges, charges (pour améliorer la résistance et la résistance à l'usure).
Caractéristiques:
Excellente ignifugation : peut atteindre le niveau UL94 V-0, se carbonise lors de la combustion pour isoler l'oxygène.
Bonne isolation électrique : Résistivité volumique ≥1×10¹⁵ Ω·cm, rigidité diélectrique ≥20 kV/mm.
Haute force de liaison, bonne résistance aux chocs, résistance à la chaleur.
