Bouchons de compression pour améliorer la durée de vie de la batterie
D’après Nick Flaherty, les chercheurs de Saint-Gobain ont développé des modèles prédictifs permettant de prédire avec précision le comportement mécanique des coussinets de compression dans les batteries.
Les cellules lithium-ion présentent une expansion et une contraction au cours des cycles de charge et de décharge, ainsi qu’un gonflement irréversible dû au vieillissement. Les coussinets de compression sont des composants essentiels pour assurer les performances à long terme des batteries.
La fonction principale d’une coussinette de compression est d’agir comme un amortisseur souple entre les cellules et d’absorber les fluctuations de volume en exerçant une pression constante et optimisée. En absorbant la contrainte liée à l’expansion des cellules et en préservant l’intégrité structurelle du module, les coussinettes de compression atténuent les mécanismes de dégradation afin d’optimiser la durabilité et la sécurité du système de batterie sur des milliers de cycles.
Les chercheurs ont caractérisé les propriétés mécaniques fondamentales des coussinets élastomères dans diverses conditions, telles que différentes vitesses de compression et températures, ce qui est directement pertinent pour des applications batterie réalistes. La résilience mécanique à long terme du coussinet est évaluée en mesurant ses performances au cours de milliers de cycles de charge–décharge à différentes températures de fonctionnement, ce qui confirme leur capacité à maintenir une pression constante sur le long terme.
L’utilisation de la modélisation et de la simulation permet aux concepteurs d’explorer virtuellement l’espace des designs, accélérant ainsi la création de coussinets de compression optimisés pour les applications de batteries.
En contribuant à maintenir une pression adéquate sur les cellules tout au long du fonctionnement, les coussins de compression permettent une meilleure conservation de la capacité et une durée de vie plus longue de la batterie. Ils aident également à compenser les déplacements des cellules, tout en réduisant les vibrations et en assurant une isolation électrique au sein du module de batterie.
Afin de simuler les conditions rencontrées dans le pack de batteries, des essais de fatigue cyclique sont effectués sur une large plage de températures, allant des températures en dessous de zéro jusqu’à 60–70 °C. Un essai de compression cyclique à contrainte constante sur 3000 cycles simule également les sollicitations à long terme subies par le matériau.
« Les recherches menées au cours de la dernière décennie ont montré que le niveau de pression exercée sur la cellule influence directement sa durée de vie et son maintien de capacité. Il existe une plage de pression optimale, par exemple généralement entre 20 et 40 kilopascals pour les cellules de type poche, qui maximise les performances et la longévité. Si la pression est trop élevée ou trop faible, la batterie peut se dégrader beaucoup plus rapidement ou même tomber en panne prématurément », a déclaré Weilin Deng, ingénieur senior en recherche chez Saint-Gobain.
La modélisation est importante car il n’existe pas de solution unique, les exigences des batteries variant en fonction de la chimie et du design de la cellule. Par exemple, les cellules prismatiques nécessitent des matériaux modérément rigides, tandis que les cellules de type poche exigent généralement des coussins de compression plus souples, et les batteries à état solide nécessitent des coussins de compression très rigides.
Cet outil numérique permet d’ajuster en conséquence les propriétés de compression des matériaux. En utilisant des données de déformation sous charge de compression, les performances sont évaluées à différents niveaux de compression – tels que 20 %, 50 % et 70 % – afin de répondre à des besoins d’application spécifiques sans se fier uniquement aux essais en laboratoire.
L’outil recommande des matériaux adaptés et des épaisseurs optimales tout en affichant les courbes correspondantes de contrainte-déformation. Par exemple, il peut suggérer d’utiliser un matériau comme le PF150 à une épaisseur précise pour répondre à des exigences critiques en matière de qualité.
Il prend également en charge les conceptions à plusieurs matériaux, en combinant différentes mousse pour évaluer le comportement de compression global.
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