Gestion thermique des batteries par conception : comment les matériaux avancés permettent l’émergence de la prochaine génération de batteries pour véhicules électriques

Parrainé par H.B. Fuller

Avec l’évolution des véhicules électriques, la conception des batteries subit une transformation fondamentale.

Les constructeurs automobiles sont soumis à la pression de proposer une plus grande autonomie, un chargement plus rapide, des coûts plus faibles, une sécurité améliorée ainsi que des pratiques de fabrication plus durables, tout cela au sein du même système de batterie. Pour atteindre ces objectifs, il ne suffit pas seulement d’innover en matière de chimie des cellules ; de plus en plus, l’innovation provient de l’architecture des batteries et des matériaux qui rendent ces architectures possibles.

Le passage des conceptions traditionnelles cellule-module à des configurations cellule-pack et cellule-châssis illustre parfaitement cette tendance. Ces designs de batteries de nouvelle génération maximisent la densité énergétique et réduisent le poids, mais ils posent également de nouveaux défis en termes d’intégrité structurelle, de gestion thermique et de protection contre les dérives thermiques. La résolution de ces défis a fait passer les adhésifs avancés, les scellants et les mousses ignifuges de simples matériaux d’appoint à des éléments essentiels pour assurer les performances optimales.

L’évolution de la conception des batteries de véhicules électriques

Pendant de nombreuses années, les batteries de véhicules électriques ont suivi une architecture cellule-module. Les cellules individuelles étaient assemblées en modules, qui étaient ensuite intégrés dans un pack batterie monté à l’intérieur du véhicule.

Cette approche présentait plusieurs avantages, en particulier la facilité de réparation. Les modules défectueux pouvaient être remplacés sans démonter l’ensemble du système de batterie, ce qui contribuait à réduire le temps d’immobilisation du véhicule. Cependant, les boîtiers des modules ajoutent du poids, occupent de l’espace précieux et augmentent la complexité de fabrication.

Afin d’améliorer l’efficacité et l’autonomie, les fabricants adoptent de plus en plus des conceptions cellule-par-paquet. En supprimant les boîtiers des modules et en intégrant directement les cellules dans le paquet, les systèmes de batterie deviennent plus légers et peuvent contenir davantage de matériau actif sur la même surface. Le résultat est une densité énergétique améliorée et des distances de conduite plus longues.

La prochaine étape dans cette évolution est la conception cellule-châssis, où les cellules de batterie deviennent un composant structurel intégré du véhicule. Cette architecture réduit encore plus le poids et la complexité de fabrication tout en maximisant l’utilisation de l’espace. Cependant, elle impose également des exigences plus élevées aux matériaux qui maintiennent la batterie assemblée.

Au fur et à mesure que les structures de batteries deviennent plus intégrées, les matériaux doivent assumer plusieurs fonctions en même temps : fournir un soutien structurel, gérer les charges thermiques, isoler les composants électriques et contribuer à assurer la sécurité dans des conditions extrêmes.

Pourquoi la gestion thermique est devenue une exigence fondamentale en conception

Une densité énergétique plus élevée offre des avantages clairs pour les performances du véhicule, mais elle crée un défi thermique important.

À mesure que les cellules sont regroupées plus étroitement et que la consommation d’énergie augmente, davantage de chaleur est générée pendant la charge et le fonctionnement. Une chaleur excessive peut accélérer la dégradation de la batterie, réduire son efficacité et augmenter le risque d’événements de défaillance thermique. Maintenir des températures de fonctionnement stables n’est plus simplement une considération d’ingénierie ; c’est une exigence fondamentale pour les performances, la fiabilité et la sécurité des batteries.

Cette réalité stimule la demande de nouvelles stratégies de gestion thermique ainsi que de matériaux capables de transférer efficacement la chaleur, de protéger les composants sensibles et de contenir d’éventuelles défaillances. On attend de plus en plus des adhésifs et des matériaux d’encapsulation qu’ils contribuent à cette fonction tout en préservant les propriétés structurelles.

Le rôle croissant des mousses ignifuges

Parmi les matériaux dont l’adoption ne cesse de croître figurent les mousses ignifuges structurales.

Au départ considérées principalement comme des matériaux de sécurité, ces mousses jouent aujourd’hui un rôle bien plus large dans la conception des batteries. Elles aident les fabricants à atteindre leurs objectifs de légèreté en remplaçant des supports mécaniques et des composants en plastique plus lourds, tout en assurant en même temps un renforcement structurel dans toute la composition de la batterie.

Dans les architectures de batteries avancées, les mousses ignifuges peuvent remplir plusieurs fonctions :

Atténuer la propagation de l’effet domino thermique entre les cellules

Réduire le poids de la batterie

Fournir un soutien structurel

Améliorer la résistance aux vibrations

Renforcer l’isolation thermique et l’uniformité de la température

Simplifier les processus de fabrication des batteries

Pour les fabricants d’équipements originaux qui optent pour des configurations cellule-vers-emballage ou cellule-vers-châssis, ces avantages deviennent particulièrement précieux. En permettant l’élimination des composants mécaniques tout en préservant l’intégrité de la batterie, les mousses structurelles aident à atteindre une densité énergétique plus élevée sans compromettre la sécurité.

Au-delà de la conformité : l’importance de la protection contre les dérives thermiques

Pour les concepteurs de batteries, la lutte contre les dérives thermiques est devenue l’un des critères les plus importants lors du choix des matériaux de batterie.

Au fur et à mesure que les systèmes de batteries deviennent plus densément énergétiques, il est essentiel de maîtriser les phénomènes thermiques au sein d’une seule cellule. Les mousses ignifuges à haute performance sont conçues spécialement pour ralentir ou empêcher la propagation thermique, garantissant ainsi que des événements localisés ne se propagent pas à l’ensemble du pack de batteries.

Les normes de performance en matière d’inflammabilité telles que UL94 fournissent des critères importants pour évaluer l’efficacité des matériaux. Obtenir une classification V-0 démontre la capacité d’un matériau à s’éteindre rapidement et à limiter la propagation de la flamme, ce qui donne aux fabricants de batteries plus confiance en la sécurité globale du système.

Alors que les régulateurs, les constructeurs automobiles et les consommateurs accordent une importance croissante à la sécurité des batteries, les matériaux qui contribuent activement à la protection thermique deviennent un avantage concurrentiel plutôt qu’une simple exigence de conformité.

Concevoir des batteries pour l’avenir

L’avenir de l’électrification dépasse de loin le domaine des véhicules de tourisme.

Les systèmes de stockage d’énergie par batterie (BESS), les flottes de transport commercial, l’équipement hors route, les camions lourds ainsi que les applications aéronautiques électriques naissantes font face à des défis similaires : trouver un équilibre entre performances, sécurité, poids et durabilité. Bien que chaque application ait des exigences uniques, toutes bénéficient de matériaux capables d’assurer des performances structurelles tout en facilitant la gestion thermique et la protection contre l’incendie.

Au fur et à mesure que les technologies de batteries évoluent, les fabricants auront de plus en plus besoin de partenaires qui comprennent non seulement les matériaux, mais aussi la manière dont ceux-ci interagissent au sein d’un système de batterie intégré. Une collaboration précoce entre les concepteurs de batteries et les experts en matériaux peut aider à optimiser les conceptions, accélérer les délais de développement et éviter des problèmes de production coûteux plus tard dans le processus.

Une approche axée sur les matériaux pour l’innovation dans les véhicules électriques

La prochaine génération de performances des véhicules électriques ne sera pas définie uniquement par les cellules de batterie.

Elle sera façonnée par la capacité des fabricants à intégrer efficacement des matériaux avancés dans des conceptions de batteries plus légères, plus sûres, plus efficaces sur le plan thermique et plus faciles à produire en grande série. Des adhésifs structuraux et des matériaux d’interface thermique aux mousses ignifuges et aux barrières à la propagation de la chaleur, l’innovation matérielle devient un moteur essentiel de l’innovation des batteries.

Alors que l’industrie accélère vers des systèmes de batteries à plus hautes performances, la gestion thermique intégrée dans la conception n’est plus optionnelle. C’est une condition préalable pour l’avenir de l’électrification.

Toutes les mousses (et tous leurs fournisseurs) ne sont pas égales

Le mousse ignifuge que vous choisissez pour vos batteries BESS, eVTOL ou EV dépend de vos besoins. Le choix de votre fournisseur de mousse dépend quant à lui de son expertise, des performances du produit et du niveau de support offert. H.B. Fuller propose une large gamme de mousses ignifuges à ses clients en Europe, en Asie et aux États-Unis.

H.B. Fuller EV Protect 4006 : Mousse semi-structurale qui réduit le poids de la batterie, protège contre la propagation thermique et offre une résistance au bruit, aux vibrations et aux chocs.

H.B. Fuller EV Protect 5008 : Mousse structurale offrant un soutien renforcé. Conçue pour les pièces et composants utilisés dans les batteries et les véhicules électriques.

H.B. Fuller EV Protect 5009 : mousse structurelle de haute qualité qui permet aux fabricants de réduire ou de remplacer les composants structurels traditionnels. Idéale pour les conceptions allant de la cellule au châssis.

H.B. Fuller collabore avec des fabricants de batteries, des constructeurs automobiles et des intégrateurs de systèmes dans le monde entier pour développer des solutions adhésives, d’étanchéité, de gestion thermique et ignifuges pour les applications de mobilité électrique et d’stockage d’énergie de nouvelle génération.

Découvrez plus d’informations sur hbfuller.com/electric-vehicles.

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