fr.wedoany.com Rapport : Des chercheurs de l'Université du Pétrole de Chine (Pékin) et de l'Académie chinoise des sciences de la sécurité au travail ont développé un matériau composite en mousse de silicone céramisable à stratification graduée, capable de prévenir efficacement les défaillances en cascade lors d'un emballement thermique dans les systèmes de stockage d'énergie par batteries lithium-ion. Ce matériau génère une barrière céramique dense à haute température grâce à un système de charges multi-échelles, tout en résistant à l'impact des jets de gaz à haute température et haute pression.
La propagation de l'emballement thermique constitue un risque majeur pour la sécurité des systèmes de stockage d'énergie par batteries lithium-ion à l'échelle des services publics. La température au cœur du jet de gaz émis lors de l'emballement thermique peut atteindre 800 °C à 1 200 °C, avec une vitesse d'éjection supérieure à 200 m/s. Les matériaux d'isolation passive traditionnels se dégradent facilement dans ces conditions : les mousses organiques s'effondrent au-dessus de 300 °C, tandis que les matériaux inorganiques fibreux se désintègrent sous l'impact des jets à grande vitesse.
Le matériau composite développé par l'équipe de recherche utilise une mousse de polydiméthylsiloxane comme matrice, renforcée par un squelette en tissu de fibres de verre, et intègre un système de charges multi-échelles comprenant du polyphosphate d'ammonium, du borate de zinc, du kaolin et de l'aérogel de silice. Dans des conditions de fonctionnement normales, ce matériau conserve sa souplesse et son élasticité, maintient une stabilité mécanique dans une plage de -40 °C à 300 °C, et conserve 93 % de sa contrainte résiduelle après 1 000 cycles de compression. Exposé à une flamme, les charges déclenchent un processus de céramisation en plusieurs étapes : les agents ignifuges libèrent des gaz inertes et favorisent la carbonisation, tandis que le kaolin et l'aérogel de silice subissent un frittage en phase liquide au-dessus de 600 °C, formant une barrière céramique dense. Même si la surface de la mousse est endommagée, le tissu de fibres de verre intégré résiste à la perforation par les jets de gaz à haute pression.
Lors des tests au calorimètre conique, par rapport à la mousse de silicone ordinaire, ce matériau composite réduit le dégagement thermique total de 54,4 % et la production de fumée de 87,9 %. Sous une flamme de butane à environ 1 100 °C, le matériau conserve son intégrité structurelle pendant plus de 30 minutes, avec une température de face arrière stable à 97,1 °C. La conductivité thermique mesurée est de 0,046 W/(m·K), soit environ 50 % inférieure à celle de la mousse de silicone non modifiée. L'indice limite d'oxygène du matériau atteint 33,5 %, et il satisfait à la classification d'inflammabilité UL-94 V-0.
L'évaluation des performances du module de batterie a été réalisée avec trois cellules prismatiques commerciales de 37 Ah dans une configuration contrôlée à trois batteries. Sans isolation thermique, à partir du moment où la première batterie entre en emballement thermique, les trois batteries se propagent complètement en quelques secondes. Avec une mousse de silicone ordinaire de 3 mm, la propagation est retardée mais pas empêchée. Avec le matériau composite céramisable de 3 mm, l'emballement thermique est confiné à la batterie initiatrice, la température de la face avant des batteries adjacentes atteignant 167,1 °C sans dépasser le seuil d'emballement.
La perte de masse totale lors du test avec le matériau composite céramisable est de 255,4 grammes, contre 796,3 grammes pour le test avec la mousse de silicone ordinaire, ce qui est cohérent avec les résultats de confinement d'une seule batterie. Lors d'un test comparatif indépendant mené par la même équipe de recherche, l'utilisation d'un feutre d'aérogel commercial a également permis de confiner une seule batterie, mais la température de la face avant des batteries adjacentes était légèrement plus élevée, à 181,1 °C. L'article de recherche indique que l'épaisseur de 3 mm de ce matériau composite préserve la densité énergétique volumétrique du module de batterie, et que son procédé de fabrication est compatible avec la production industrielle en continu (roll-to-roll).
Cette étude a été publiée dans la revue académique Nano-Micro Letters, sous le titre « Construction d'un système de stockage d'énergie par batteries lithium-ion intrinsèquement sûr via des mousses de silicone céramisables à stratification graduée » (Constructing Intrinsically Safe Lithium-Ion Battery Energy Storage via Gradient-Laminated Ceramifiable Silicone Foams). Les recherches ont été dirigées par le professeur Congling Shi de l'Académie chinoise des sciences de la sécurité au travail et le professeur Laibin Zhang de l'Université du Pétrole de Chine (Pékin), avec la participation des co-auteurs Shuilai Qiu et Jingyao Xu.
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