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Le comportement thermique, clé de la performance des batteries
Le développement de batteries efficaces et durables nécessite une compréhension détaillée des propriétés thermophysiques des composants cellulaires. En particulier pour la caractérisation du lithium-phosphate de fer (LFP), de l’oxyde de nickel-manganèse-cobalt (NMC) ainsi que des électrolytes solides, la mesure précise des paramètres thermiques est essentielle pour comprendre et contrôler les mécanismes de vieillissement et les pertes d’efficacité pendant les cycles de charge et de décharge. Le site Pont chaud transitoire (THB) s’est révélée être une méthode centrale pour déterminer avec précision la Conductivité thermique, Conductivité thermique et capacité thermique spécifique est établie.
La méthode Transient Hot Bridge : une supériorité technique
Le site THB-améliore la précision de la mesure des propriétés thermiques des composants cellulaires à plusieurs niveaux et offre des avantages décisifs par rapport aux méthodes plus anciennes telles que la bande chaude transitoire (THS) ou les méthodes classiques à filament chauffant. En tant que méthode de mesure absolue, elle ne nécessite pas d’étalonnage supplémentaire ou de mesure de référence, ce qui élimine les erreurs systématiques dues aux écarts de référence (Linseis Messgeräte GmbH, 2024).
Structure technique et principe de mesure
Le capteur de la méthode THB est réalisé sous la forme d’une feuille de circuit imprimé en nickel entre deux feuilles de polyimide. L’agencement consiste en quatre bandes chauffantes disposées en parallèle et connectées en un pont de Wheatstone. À température constante, le pont est naturellement équilibré, ce qui signifie qu’aucun étalonnage n’est nécessaire.
Un avantage particulièrement important de la THB est la compensation des effets de bord. Alors que les méthodes conventionnelles à filament chauffant sont affectées par les pertes de chaleur par les raccords ou les bords, la méthode de mesure THB mesure ces effets de bord et peut donc être déduite du résultat.
La méthode couvre une large gamme de mesures de conductivité thermique allant de 0,01 à 1000 W/(m*K) et répond aux normes internationales telles que ASTM D5930, ASTM D7896-19 et ISO 22007-2ce qui garantit la comparabilité et l’assurance qualité. Les temps de mesure courts, souvent inférieurs à une minute, sont particulièrement avantageux.
Paramètres thermophysiques critiques pour les cellules de batterie
Plusieurs paramètres thermophysiques sont essentiels pour le vieillissement et l’efficacité des cellules NMC et LFP pendant les cycles de charge et de décharge:
La conductivité thermique détermine l’efficacité avec laquelle la chaleur peut être dissipée au sein de la cellule. Une conductivité thermique élevée assure une répartition uniforme de la température et évite les points chauds susceptibles de provoquer localement des températures élevées et donc un vieillissement accéléré. Marconnet et al. (2024) montrent que la diminution de la conductivité thermique due au vieillissement réduit directement les performances et la sécurité des batteries Li-Ion, parfois jusqu’à 75% après de longues périodes d’exposition à des températures élevées et plusieurs milliers de cycles.
La capacité thermique spécifique définit la quantité de chaleur qu’un composant cellulaire peut absorber jusqu’à ce que la température augmente. Les matériaux à forte capacité thermique tamponnent mieux les variations de température et peuvent donc réduire les dommages aux cellules lors des cycles de charge/décharge rapides. La capacité thermique spécifique peut varier en fonction du vieillissement et de la fatigue des matériaux, ce qui affecte les profils de température au cours du cycle.
La conductivité thermique (diffusivité thermique) indique la vitesse à laquelle les changements de température se propagent dans le matériau. Une faible diffusivité thermique entraîne des zones de température changeant insidieusement au sein de la cellule – ce qui est particulièrement critique à des taux de C élevés, car des gradients de température dangereux peuvent alors se former, favorisant un vieillissement accéléré localement.
Exemples d'applications pratiques
Caractérisation des matériaux d'anode
Un exemple d’application spécifique est la mesure de la conductivité thermique du matériau d’anode appliqué sur un mince collecteur de courant en cuivre. Ces mesures sont importantes pour le développement, l’optimisation et la conception des systèmes de gestion thermique des batteries. La méthode THB permet de caractériser à la fois le revêtement et le matériau support dans son ensemble.
Contrôle qualité dans la production de batteries
Dans la production industrielle de batteries, la méthode THB est utilisée pour le contrôle continu de la qualité des matériaux bruts.
Développement de nouveaux matériaux d'électrode
La méthode fournit des résultats pour les solides et les liquides, ainsi que pour les poudres et les pâtes, avec une grande précision de mesure, ce qui la rend particulièrement précieuse pour le développement de matériaux d’électrodes innovants.
Considérations spécifiques aux matériaux et effets du vieillissement
Les cellules LFP sont connues pour leur stabilité chimique et leur dépendance modérée à la température, mais des dommages microstructurels sur l’électrode dus à des contraintes cycliques peuvent dégrader considérablement la conductivité thermique et la capacité thermique. Les cellules NMC présentent souvent une plus grande dépendance à la température et au vieillissement dans leurs propriétés thermiques, ce qui impose des exigences plus élevées en matière de gestion thermique et de caractérisation des matériaux (Ali et al., 2023).
Les électrolytes solides offrent le potentiel d’une sécurité accrue, mais leur conductivité thermique intrinsèque parfois faible pose de nouveaux défis en termes d’homogénéité de la température et nécessite des méthodes de mesure particulièrement précises et résolues en termes de localisation, comme la THB. Steinhardt et al. (2022) confirment expérimentalement que les fortes augmentations et les gradients de température ont un impact négatif à la fois sur le vieillissement et sur les performances des cellules.
Comparaison des méthodes : THB par rapport aux méthodes établies
Comparaison avec l'analyse flash laser (LFA)
La méthode de mesure THB fournit en résultat la conductivité thermique, la conductivité thermique et, si la densité est connue, la capacité thermique spécifique. Avec la méthode Méthode laser flash ne donne que la conductivité thermique. En outre, les mesures avec le THB sont très simples et ne nécessitent aucune connaissance préalable. De plus, les mesures ne prennent que quelques secondes à quelques minutes.
L’avantage de l LFA réside dans la large gamme de températures pouvant être couvertes, de -150 à 2800°C. Le THB peut être utilisé dans une plage de températures de -150 à 700°C.
Avantages par rapport aux méthodes conventionnelles par fil chaud
Les méthodes traditionnelles à fil chaud souffrent d’effets de bord et d’influences de câble qui peuvent entraîner des erreurs de mesure systématiques. La THB élimine ces problèmes grâce à :
- La mesure et la compensation des effets de bord permettent d’obtenir une précision nettement supérieure
- La configuration du pont simplifie considérablement l’étalonnage et l’utilisation de l’instrument de mesure
Avantages par rapport aux méthodes conventionnelles par fil chaud
Les méthodes traditionnelles à fil chaud souffrent d’effets de bord et d’influences de câble qui peuvent entraîner des erreurs de mesure systématiques. La THB élimine ces problèmes grâce à :
- La mesure et la compensation des effets de bord permettent d’obtenir une précision nettement supérieure
- La configuration du pont simplifie considérablement l’étalonnage et l’utilisation de l’instrument de mesure
Importance pour la sécurité des batteries
La caractérisation précise des propriétés thermophysiques est essentielle pour évaluer la sécurité des batteries. Les organismes de réglementation exigent de plus en plus des modèles thermiques détaillés pour prédire le comportement dans des conditions d’abus. La méthode THB conforme à la norme fournit les données de base nécessaires à ces évaluations de sécurité et contribue à l’homologation des produits de batterie.
Conclusion pour la recherche et le développement
La méthode Transient Hot Bridge maximise la précision de l’enregistrement des propriétés thermiques des composants cellulaires grâce à des mesures sans étalonnage et compensées par effet de bord, une grande flexibilité des matériaux et des temps de mesure courts. Seules des mesures précises et reproductibles de tous les paramètres thermophysiques pertinents permettent aujourd’hui d’évaluer efficacement les matériaux cellulaires, de développer de nouvelles conceptions et de garantir les normes de qualité. Pour la caractérisation et l’optimisation des matériaux de batterie modernes – des électrodes aux électrolytes solides en passant par les séparateurs – il s’agit donc d’un outil indispensable en laboratoire qui offre une précision et une flexibilité d’application maximales, spécialement pour les besoins de la recherche et du développement modernes en matière de batteries.
Bibliographie
Ali, H. et al. (2023). « Assessment of the calendar aging of lithium-ion batteries for electric vehicle applications ». Frontiers in Energy Research.
Marconnet, A. et al. (2024). « Impact du vieillissement sur les propriétés thermophysiques des électrodes de batterie lithium-ion ». Journal of Power Sources.
Hammerschmidt, U. « Transient Hot Bridge ». Physikalisch Technische Bundesanstalt Braunschweig.
Steinhardt, M. et al. (2022). « Experimental Investigation of the Thermal Conductivity of Lithium-Ion Battery Components » (Étude expérimentale de la conductivité thermique des composants de batterie au lithium-ion).
