Les batteries au lithium prototypes doivent être soumises à des conditions contrôlées de sollicitation environnementale et mécanique afin de vérifier qu'elles résistent aux fuites, à la rupture, à l'incendie, à l'explosion et à la perte d'intégrité structurelle. Les principales évaluations comprennent les cycles thermiques et les chocs thermiques, le stockage à température élevée, l'exposition à de faibles et de fortes pressions, les vibrations, les chocs ou impacts mécaniques, l'écrasement, la perforation et, dans certains programmes de qualification, les essais à la flamme et par immersion. Les températures, forces, durées et critères de réussite ou d'échec exacts dépendent de la norme applicable, du format de la cellule, de sa chimie et de l'application prévue.
Les essais de sécurité en laboratoire doivent reproduire les contraintes environnementales et mécaniques qu'une batterie peut subir pendant son fonctionnement, son transport, une mauvaise utilisation ou une défaillance. L'objectif n'est pas seulement de confirmer les performances normales, mais de démontrer un comportement maîtrisé lorsque la cellule est chauffée, dépressurisée, écrasée, soumise à des vibrations ou à des chocs, ou lorsqu'un court-circuit interne se produit.
Conditions environnementales auxquelles les batteries doivent résister
Cycles thermiques et chocs thermiques
Les cellules sont soumises de manière répétée à des températures basses et élevées afin de révéler les faiblesses des joints d'étanchéité, des soudures, des séparateurs, des électrodes et de l'emballage. Les programmes de qualification peuvent utiliser des plages telles que −40°C à 70°C, avec des transitions rapides destinées à créer des contraintes thermo-mécaniques.
Le choc thermique est plus exigeant qu'une variation lente de température, car les différents matériaux de la cellule se dilatent et se contractent à des vitesses différentes. Les essais doivent surveiller la tension, la température, les fuites, la déformation, l'éventage et les autres signes de détérioration.
Exposition à une température élevée
Les cellules complètement chargées ou conditionnées peuvent être maintenues à des températures ambiantes élevées ou placées dans un dispositif de chauffage contrôlé. Les exemples comprennent un stockage de plusieurs semaines autour de 55°C ou des rampes de chauffage atteignant environ 130°C pour les essais de sollicitation abusive au niveau du module.
Ces essais évaluent le vieillissement accéléré, la durabilité des joints d'étanchéité, la génération de gaz, la stabilité thermique et le risque d'emballement thermique. Le stockage à température élevée est également important pour identifier l'augmentation de l'autodécharge et la perte de capacité à long terme.
Simulation de basse pression et d'altitude
Les cellules peuvent être exposées à une pression réduite afin de simuler le transport aérien ou un fonctionnement à haute altitude. Les conditions de qualification représentatives comprennent environ 11,6 kPa pendant six heures ou des altitudes simulées proches de 15 000 mètres, selon le protocole.
Les essais de pression visent à révéler une étanchéité insuffisante, une fuite d'électrolyte, un dysfonctionnement de l'évent et une faiblesse du boîtier. Ils permettent également de déterminer si la réduction de la pression extérieure augmente le risque de gonflement ou de rupture.
Exposition à une pression élevée
Certains programmes de batteries à haute fiabilité appliquent des pressions externes d'environ 90 à 120 psi. Cela permet d'évaluer la robustesse mécanique du boîtier, des joints d'étanchéité, des évents et de la construction interne.
Ce test est particulièrement pertinent lorsque les batteries peuvent fonctionner dans des systèmes pressurisés ou subir des variations de pression pendant leur manipulation et leur déploiement.
Exposition à la flamme, immersion et autres conditions environnementales
Certains programmes de sécurité comprennent une exposition à une flamme nue afin d'évaluer si la cellule s'enflamme, propage le feu ou se rompt sous l'effet d'une sollicitation thermique directe. Les essais au niveau du module peuvent également inclure une immersion dans l'eau de mer, par exemple dans une solution de chlorure de sodium à 3,5 % pendant une durée définie.
Ces essais dépendent de l'application et de la norme, et ne sont pas universels pour tous les prototypes. Ils doivent être sélectionnés en fonction de la classification de transport de la batterie, de son environnement d'installation et de son utilisation prévue.
Conditions mécaniques à évaluer
Écrasement et déformation
Un essai d'écrasement applique une force contrôlée à la cellule ou au module, souvent au moyen d'une géométrie de plaque définie et à une vitesse spécifiée. Une procédure représentative au niveau du module utilise une plaque semi-cylindrique et se poursuit jusqu'à l'atteinte d'une déformation définie, telle que 30 %, ou d'une force spécifiée.
L'écrasement peut endommager les séparateurs, compacter les couches d'électrodes et créer des courts-circuits internes. Les principaux critères de sécurité sont généralement l'absence d'incendie et d'explosion, ainsi que des limites documentées concernant les fuites, l'éventage, la déformation et la température.
Vibrations
Les cellules sont montées sur une plateforme vibrante et soumises à des vibrations sinusoïdales contrôlées ou à des vibrations couvrant une large plage de fréquences. Les programmes représentatifs peuvent couvrir environ 5 à 5 000 Hz, tandis que d'autres procédures spécifient des cycles fixes le long de chaque axe.
Les essais de vibration évaluent les soudures, les bornes, les collecteurs de courant, les joints d'étanchéité, les supports internes et les interconnexions du pack. Une cellule qui réussit les essais électriques mais échoue aux essais de vibration peut développer des connexions intermittentes, une abrasion interne, des fuites ou, à terme, un court-circuit interne.
Chocs mécaniques et impacts
Les essais de choc appliquent une accélération soudaine afin de représenter les chutes, les incidents de manipulation, les mouvements d'un véhicule ou les impacts sur un équipement. Les programmes de qualification à haute fiabilité peuvent utiliser des chocs importants, notamment des niveaux proches de 1 000 g, lorsque l'application l'exige.
Le test doit vérifier que la cellule reste structurellement intacte et ne développe pas de défaillance différée. Les contrôles postérieurs à l'essai sont importants, car les dommages peuvent ne pas produire immédiatement de fuite visible ou d'anomalie de tension.
Perforation et pénétration par clou
Une pointe ou un clou en acier est enfoncé dans la cellule afin de provoquer un court-circuit interne sévère. Les procédures représentatives utilisent un diamètre de pointe et une vitesse de pénétration définis, la pointe pouvant parfois rester en place pendant une durée spécifiée.
Ce test évalue la défaillance du séparateur, la génération locale de chaleur, la libération de gaz et la capacité de la cellule à limiter la propagation thermique. Le résultat de sécurité attendu est généralement l'absence d'explosion ou d'incendie, même si la cellule peut être endommagée de manière permanente.
Chutes et sollicitations liées à la manipulation
Les essais de chute sont utilisés dans les normes et les programmes de qualification pour reproduire les impacts accidentels pouvant survenir pendant le transport ou la manipulation. Ils complètent les essais de vibration et de choc en appliquant un événement mécanique plus localisé et irrégulier.
L'évaluation doit inclure les effets immédiats et différés, tels que les fissures du boîtier, la déformation des bornes, les fuites, les variations de résistance interne et la perte d'isolation électrique.
Pourquoi ces essais sont réalisés conjointement
Les contraintes environnementales et mécaniques interagissent
Une batterie affaiblie par la chaleur peut être plus vulnérable à l'écrasement ou à la perforation. De même, les vibrations peuvent créer un défaut qui ne devient dangereux que lorsque la cellule est ensuite exposée à une température élevée ou à une décharge rapide.
Pour cette raison, la qualification d'un prototype ne doit pas considérer chaque essai comme une simple case indépendante à cocher. L'ordre des essais, le préconditionnement, l'état de charge et l'inspection postérieure à l'essai peuvent influencer considérablement les résultats.
L'instrumentation fait partie de l'essai de sécurité
Les systèmes de laboratoire doivent enregistrer en temps réel la tension de la cellule, la température de surface, le courant, la pression le cas échéant, la déformation et les événements de défaillance visibles. Des circuits de surveillance de protection et des dispositifs d'essai sont nécessaires pour interrompre les conditions dangereuses et vérifier que les dispositifs de protection réagissent dans les seuils prévus.
Les enceintes climatiques, les systèmes de vibration, les dispositifs d'écrasement et les équipements de perforation doivent être sélectionnés en fonction du niveau d'énergie de la cellule et de son mode de défaillance. Les cellules à haut débit peuvent générer une chaleur et une pression de gaz importantes. Les essais nécessitent donc un blindage approprié, une ventilation, un fonctionnement à distance et des commandes d'urgence.
Les normes définissent les limites des essais
Les référentiels courants comprennent la norme IEC 60086-4 pour les piles au lithium primaires, la norme IEC 61960 pour les cellules secondaires, ainsi que des normes d'application ou de transport telles que UN 38.3, IEC 62133, UL 2054 et GB 31241.
Ces normes n'imposent pas toutes des procédures identiques. Le laboratoire doit utiliser l'édition et la méthode d'essai applicables à la chimie, à la configuration spécifique de la cellule ou du module, au marché et à la classification de transport.
Comprendre les compromis
Un essai sévère n'est pas un essai incontrôlé
Les conditions de sollicitation abusive doivent être suffisamment sévères pour révéler les modes de défaillance, tout en restant répétables et mesurables. Un essai incontrôlé peut endommager l'équipement, rendre le mécanisme de défaillance difficile à déterminer ou créer des dangers inutiles sans améliorer la fiabilité de la qualification.
Les essais sur cellule, module et pack sont différents
Une cellule peut réussir un essai de perforation ou d'écrasement alors qu'un module échoue en raison de la propagation entre des cellules voisines. À l'inverse, les composants électroniques de protection au niveau du pack peuvent empêcher un défaut électrique qui ne peut pas être évité au niveau de la cellule individuelle.
Les essais doivent donc couvrir le niveau auquel la batterie sera utilisée : cellule, module et pack complet, le cas échéant.
La réussite d'un seul essai ne prouve pas la sécurité globale
Les cycles thermiques ne remplacent pas les essais d'écrasement, et les vibrations ne remplacent pas les essais de pression. Chaque essai cible des faiblesses différentes. Un plan de qualification crédible utilise donc une matrice définie plutôt que de s'appuyer sur un seul essai sévère.
Les paramètres exacts ne doivent pas être généralisés
Les valeurs telles que la plage de température, la pression, l'accélération, la vitesse de pénétration et la durée de l'essai sont des exemples représentatifs et non des exigences universelles. L'application d'une procédure incorrecte peut produire un résultat invalide ou un essai inutilement dangereux.
Comment appliquer ces principes à votre projet
Utilisez les normes applicables pour définir les conditions exactes, puis élaborez une matrice d'essais couvrant à la fois l'exposition environnementale et les sollicitations mécaniques abusives.
- Si votre priorité est la sécurité des cellules : donnez la priorité aux cycles thermiques et à l'exposition à une température élevée, aux variations de pression, à l'écrasement, aux vibrations, aux chocs et à la perforation, avec une surveillance en temps réel des incendies, explosions, fuites, élévations de température et variations de tension.
- Si votre priorité est la qualification pour le transport : mettez l'accent sur la simulation de basse pression et d'altitude, les vibrations, les chocs, l'exposition thermique et les procédures requises par la norme UN 38.3 ou la norme régionale applicable.
- Si votre priorité concerne une utilisation à haute fiabilité ou dans les domaines médical et aérospatial : ajoutez un stockage de longue durée à température élevée, des essais de pression sévères, des chocs à haute accélération jusqu'à 1 000 g, des vibrations couvrant une large plage de fréquences et des inspections postérieures différées.
- Si votre priorité est la validation d'un module ou d'un pack : testez conjointement la déformation mécanique, la pénétration par clou, le chauffage, les vibrations et la protection électrique afin d'évaluer la propagation de cellule à cellule et les performances du boîtier.
- Si votre priorité est la sécurité du laboratoire : utilisez des dispositifs télécommandés, des enceintes climatiques, un blindage de protection, des arrêts d'urgence et une instrumentation capable d'enregistrer les événements thermiques et électriques rapides.
Un programme d'essais environnementaux et mécaniques bien conçu transforme les résultats des essais de sollicitation abusive des prototypes en preuves que la batterie peut rester maîtrisée dans des conditions réalistes et prévisibles.
Tableau récapitulatif :
| Type d'essai | Conditions principales | Objectif principal |
|---|---|---|
| Cycles thermiques et chocs thermiques | Cycles de −40°C à 70°C, transitions rapides | Évaluer l'intégrité des joints d'étanchéité et la compatibilité des matériaux |
| Exposition à une température élevée | Jusqu'à 130°C, stockage de plusieurs semaines | Évaluer la stabilité thermique, le vieillissement et la génération de gaz |
| Basse pression/altitude | 11,6 kPa pendant 6 heures, haute altitude | Vérifier l'étanchéité, les fuites et le fonctionnement de l'évent |
| Haute pression | 90 à 120 psi | Vérifier la robustesse du boîtier |
| Écrasement et déformation | Déformation ou force de 30 %, plaque semi-cylindrique | Simuler un court-circuit interne |
| Vibrations | 5 à 5 000 Hz, vibrations sinusoïdales | Tester la durabilité des soudures et des connexions |
| Choc mécanique | Jusqu'à 1 000 g | Représenter les chutes et les impacts |
| Perforation/pénétration par clou | Diamètre et vitesse de la pointe définis | Provoquer un court-circuit interne |
| Essai de chute | Chutes répétées depuis une hauteur spécifiée | Simuler la manipulation et le transport |
| Flamme et immersion | Flamme nue, immersion dans l'eau de mer | Simuler une exposition extrême |
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