Table des matières
Pourquoi la diffusivité thermique est plus qu'un simple indicateur de matériau
Diffusivité thermique α décrit la vitesse à laquelle une perturbation thermique se propage dans un matériau. Par la relation λ = α – ρ – cₚ, elle est directement liée à la conductivité thermique et détermine ainsi, dans les cellules lithium-ion, si la chaleur générée localement – par exemple par des réactions secondaires, des esters de densité de courant ou une surcharge locale – est rapidement évacuée ou si elle s’accumule en un point chaud dangereux. Les modèles numériques 3D du temps de transit thermique montrent que même des inhomogénéités modérées de la diffusivité thermique au niveau des électrodes et des séparateurs peuvent conduire à des pics de température très localisés [Oehler et al., 2021 ; Cloos et al., 2024]. Pour l’architecture cellulaire, cela signifie que la répartition de la diffusivité thermique sur l’épaisseur des couches, la direction de la surface et les transitions entre les couches est au moins aussi importante que la valeur absolue d’un seul matériau.
Un exemple pratique est la combinaison d’un conducteur de courant à haute conductivité avec une couche de masse active nettement moins conductrice. Si la diffusivité dans le revêtement en graphite est significativement plus faible que dans le collecteur, un gradient de température prononcé se forme à l’intérieur de l’anode à des taux de C élevés, ce qui favorise localement le placage de lithium et la dégradation [Gandert et al., 2025]. Inversement, une augmentation ciblée de la diffusivité ou des additifs thermoconducteurs peuvent atténuer les pics de température aux endroits critiques – à condition qu’ils soient judicieusement intégrés dans la conception globale.
Anodes en graphite : L'anisotropie, une opportunité et un risque
Les anodes en graphite sont thermiquement anisotropes : dans le plan – le long du plan de la couche – la conductivité thermique et donc la diffusivité thermique est nettement plus élevée qu’à travers l’épaisseur de la couche, ce qui a un effet direct sur la propagation des points chauds. Des mesures effectuées sur des cellules NMC/graphite commerciales montrent que la valeur de diffusivité effective du revêtement de l’anode n’est pas uniquement déterminée par le graphite, mais essentiellement par le liant, la suie conductrice, la porosité et le contact avec le collecteur en cuivre [Cloos et al., 2024 ; Oehler et al., 2021]. Il en résulte que : La conception microstructurelle de la couche d’électrode – taille des particules, taux de remplissage, réseau de pores – est un levier permettant de contrôler de manière ciblée la propagation de la chaleur sans nécessairement dégrader les performances électrochimiques.
Les études Operando montrent que même de légères augmentations locales de la température dans les composites de graphite peuvent modifier le comportement du lithium et conduire à une fuite locale de Li à partir des phases LiₓC₆ ou à un underpotential plating [Wang et al., 2022 ; Alujjage et al., 2025]. En combinaison avec une diffusivité thermique limitée, des points chauds auto-amplificateurs se forment : L’augmentation de la température accélère les réactions secondaires, celles-ci génèrent de la chaleur supplémentaire qui reste localement piégée en l’absence de diffusion rapide. La diffusivité thermique de l’anode n’est donc pas seulement un paramètre de sécurité, mais aussi un paramètre de dégradation qui doit impérativement être pris en compte dans les stratégies de charge rapide et les modèles de durée de vie.
Séparateurs : un goulot d'étranglement thermique avec un potentiel de sécurité
Les séparateurs possèdent typiquement une diffusivité thermique nettement plus faible que les électrodes et les conducteurs de courant et représentent donc souvent le goulot d’étranglement thermique dans la section transversale de la cellule. Ils peuvent ainsi accentuer les différences de température entre les côtés des électrodes ; en même temps, les concepts modernes de séparateurs agissent délibérément comme un « fusible thermique », par exemple en fermant les pores de manière ciblée à des températures définies. Les travaux actuels sur les séparateurs dits « smart thermal shutdown » montrent que la combinaison d’une faible diffusivité de base et d’une augmentation ciblée de la conductivité thermique par des charges céramiques – par exemple le nitrure de bore (BN) – peut atténuer les points chauds locaux tout en préservant la fonction électrochimique en fonctionnement normal [Li et al., 2025 ; Liu et al., 2021].
Il est essentiel de ne pas considérer les séparateurs de manière isolée, mais en combinaison avec l’anode, la cathode et l’électrolyte. Des études indiquent que l’interaction entre la diffusivité du séparateur, la diffusivité de l’électrode et les résistances de contact détermine la position du point chaud – par exemple, si les zones critiques se forment plutôt dans le volume de l’électrode ou à proximité du séparateur [Gandert et al., 2025]. De même, l’émissivité de la surface du séparateur et des électrodes influence directement la sensibilité des méthodes de détection par imagerie telles que la thermographie de verrouillage ou la thermographie infrarouge.
Détection des points chauds : la métrologie opérante rencontre la caractérisation des matériaux
Pour une analyse fiable des points chauds, il ne suffit pas de mesurer la température extérieure d’une cellule cylindrique ou d’une cellule de poche. Il est essentiel de disposer d’informations sur la température avec une résolution spatiale et de données fiables sur les matériaux. La thermographie IR opérationnelle, combinée à des modèles basés sur la physique, permet de déduire les champs de température internes et de quantifier les points chauds – à condition de connaître la diffusivité thermique des différents composants de la cellule [Wang et al., 2022]. Les nouveaux capteurs d’ondes thermiques utilisent spécifiquement la diffusion de chaleur dépendant de la fréquence pour tirer des conclusions sur les états de dégradation et les changements locaux des propriétés thermiques à partir de la réponse à une excitation thermique modulée.
Une étude récente sur l’évolution de la température interne dans les cellules Li-ion montre que l’écart entre les mesures de température interne et externe peut être considérable dans les conditions de fonctionnement, ce qui permet de quantifier complètement les points chauds et le placage de lithium sur les anodes en graphite [Alujjage et al., 2025]. Non seulement le niveau de température absolu, mais aussi l’évolution temporelle avec une diffusivité thermique connue fournissent des informations précieuses sur les défauts locaux, les inhomogénéités ou les zones de vieillissement. Le couplage des méthodes de mesure Operando avec les diffusivités déterminées expérimentalement est donc un outil efficace pour détecter les points faibles de l’architecture cellulaire dès la phase de conception des matériaux et des cellules.
Format de cellule et diffusivité thermique : comparaison entre cellule ronde, pochette et prismatique
La diffusivité thermique a des effets fondamentalement différents selon le format des cellules, avec des conséquences directes sur la conception du système de gestion thermique et la sensibilité aux points chauds.
Dans les cellules rondes (18650, 21700), une anisotropie marquée entre les directions axiale et radiale domine. Des conductivités thermiques anisotropes de 0,20 W-m-¹-°C-¹ dans la direction radiale et jusqu’à 30,4 W-m-¹-°C-¹ dans la direction axiale ont été mesurées pour les cellules rondes 18650. La chaleur générée au cœur de la cellule est donc préférentiellement évacuée dans le sens axial, tandis que le transport radial – vers la surface de la cellule et le système de refroidissement – est fortement inhibé. À des taux de C élevés, il en résulte des gradients de température considérables entre le noyau et l’enveloppe, qui ne sont pas détectés par la seule mesure de la température extérieure [Gandert et al., 2025].
Les cellules de type « pochette » présentent des caractéristiques complémentaires : en raison de leur grande surface et de leur forme plate, les cellules de type « pochette » possèdent une bonne dissipation thermique inhérente dans le plan. Cependant, la dissipation de la chaleur dans la direction Through-Plane étant moins homogène, des gradients de température et des points chauds peuvent apparaître – particulièrement prononcés lors de la charge rapide. La caractérisation thermique des cellules de type « pouch » requiert donc des méthodes permettant de détecter les deux directions – l’analyse laser-flash sur des piles de couches représentatives fournit les données d’entrée les plus fiables pour les modèles de simulation [Lin et al., 2022 ; Cloos et al., 2024].
Les cellules prismatiques combinent des éléments des deux géométries. Dans les cellules prismatiques et les cellules à pochette, la conductivité thermique est décomposée le long de la longueur, de la hauteur et de l’épaisseur de la couche, tandis que dans les géométries cylindriques, une décomposition dans les directions radiale et axiale est plus appropriée. Ici aussi, la diffusivité Through-Plane – perpendiculaire aux couches d’électrodes – constitue le goulot d’étranglement thermique dominant [Oehler et al., 2021].
Il en résulte une exigence claire pour la technique de mesure : une seule mesure scalaire de diffusivité n’est suffisante pour aucun de ces formats. Seule une caractérisation anisotrope complète sur des systèmes de couches proches de la réalité sur la plage de température pertinente fournit les paramètres d’entrée pour des simulations thermiques et des prévisions de points chauds solides [Gandert et al., 2025 ; Cloos et al., 2024].
Technique de mesure : l'analyse flash comme base pour des paramètres de matériaux réalistes
Une méthodologie robuste pour mesurer la diffusivité thermique des anodes en graphite, des séparateurs et des structures composites est indispensable pour les applications de R&D et d’assurance qualité. L’analyse laser-flash (LFA) est une approche bien établie : Une brève impulsion d’énergie chauffe la surface d’un échantillon et l’augmentation de la température en fonction du temps du côté opposé est détectée par un détecteur IR, ce qui permet de calculer la diffusivité thermique [Balaji et al., 2024]. La combinaison de la densité et de la capacité thermique spécifique permet ensuite d’obtenir la conductivité thermique – le paramètre d’entrée central des modèles de simulation thermique.
Pour les matériaux utilisés dans les batteries, il est important d’étudier non seulement des échantillons en vrac, mais aussi des configurations réalistes : revêtements de graphite sur cuivre, films séparateurs ou empilements d’électrodes composites. Des études montrent que la diffusivité thermique effective d’un assemblage d’électrodes s’écarte significativement de la valeur idéale du graphite pur – notamment en raison de l’interface avec la feuille de Cu et de la répartition des additifs polymères et conducteurs [Cloos et al., 2024 ; Gandert et al., 2025].
Conséquences stratégiques pour le développement des batteries
Pour les développeurs d’architectures de cellules, il en résulte un schéma d’action clair : la diffusivité thermique doit être prise en compte dès le début du choix des matériaux – en particulier pour les formulations d’anodes en graphite et les concepts de séparateurs. Les anisotropies peuvent être utilisées de manière ciblée, par exemple par une grande diffusivité dans le plan pour la dissipation latérale de la chaleur ; en même temps, les gradients dus à l’épaisseur de la couche doivent être garantis par la mesure et la modélisation [Oehler et al., 2021]. Les modèles de matériaux et de cellules doivent être systématiquement alimentés par des valeurs de diffusivité déterminées expérimentalement afin de dériver des champs de température réalistes et des scénarios d’emballement thermique. Les méthodes operando – thermographie IR, ondes thermiques, capteurs internes – ne révèlent leur plein potentiel qu’en combinaison avec des données thermophysiques exactes : Les points chauds deviennent ainsi non seulement visibles d’un point de vue qualitatif, mais aussi évaluables d’un point de vue quantitatif [Alujjage et al., 2025].
La diffusivité thermique passe ainsi d’une caractéristique souvent négligée des matériaux à un paramètre de développement stratégique qui permet d’augmenter les marges de sécurité, d’élargir les fenêtres de chargement rapide et de désamorcer à un stade précoce les mécanismes de dégradation des anodes en graphite et des séparateurs.
Bibliographie
[Alujjage et al., 2025] Alujjage, N. et al. : Internal Temperature Evolution Metrology and Analytics inLi-IonCells. Advanced Functional Materials, 2025. DOI : 10.1002/adfm.202417273 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417273
[Balaji et al., 2024] Balaji, C. et al. : Thermal Transport and Thermal Diffusivity by Laser Flash Technique : A Review. International Journal of Thermophysics, 2024. DOI : 10.1007/s10765-024-03479-0 https://www.researchgate.net/publication/387526329_Thermal_Transport_and_Thermal_Diffusivity_by_Laser_Flash_Technique_A_Review
[Cloos et al., 2024] Cloos, L. ; Herberger, S. ; Queisser, O. et al. : Thermal Material Properties of Commercial NMC532 / Graphite Lithium-Ion Battery Cell. Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 2024. DOI : 10.35097/kAlrZQzUaHBxWkIj https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000171382
[Gandert et al., 2025] Gandert, J. C. ; Müller, M. ; Paarmann, S. ; Queisser, O. ; Wetzel, T. : Challenges of the Measurement of the Effective Thermal Conductivity of Battery Electrodes with Laser Flash Analysis and Guarded Hot Plate Method. Energy Technology, 2025. DOI : 10.1002/ente.202501125 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ente.202501125
[Li et al., 2025] Li, Y. et al. : Séparateurs d’arrêt thermique intelligents à réponse rapide pour des batteries Li-métal sûres. ScienceDirect / Journal of Power Sources, 2025. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S3050914925000962
[Lin et al., 2022] Lin, J. ; Chu, H. N. ; Monroe, C. W. ; Howey, D. A. : Caractérisation thermique anisotropique des cellules de poche au lithium-ion de grand format. Batteries & Supercaps, 5, e202100401, 2022. DOI : 10.1002/batt.202100401 https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/batt.202100401
[Liu et al., 2021] Liu, W. et al. : SaferLithium-IonBatteries from the Separator Aspect : Development and Future Perspectives. Energy & Environmental Materials, 2021. DOI : 10.1002/eem2.12129 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/eem2.12129
[Oehler et al., 2021] Oehler, D. ; Seegert, P. ; Wetzel, T. : Investigation of the Effective Thermal Conductivity of Cell Stacks ofLi-IonBatteries. Energy Technology, 2021. DOI : 10.1002/ente.202000722 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ente.202000722
[Wang et al., 2022] Wang, W. et al : In-situ thermography revealing the evolution of internal short circuit of lithium-ion batteries. Journal of Power Sources, 2022. DOI : 10.1016/j.jpowsour.2022.231602 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S037877532200605X
