Modélisation 3D de la dynamique des gaz d’évent et de leur combustion lors de l’emballement thermique des batteries Lithium-Ion

L’essor fulgurant des véhicules électrifiés entraîne une forte demande en batteries. Les batteries Lithium-Ion représentent actuellement la technologie dominante car elles offrent de bonnes performances, notamment une densité énergétique élevée. Néanmoins, ces batteries peuvent être sujettes au phénomène d’emballement thermique, qui peut conduire à la destruction du véhicule. Il est donc important de développer des outils numériques adéquats, permettant de prédire et de prévenir ce type d’accidents. De nombreux modèles permettent de simuler le développement des réactions internes dans une cellule d’un pack batterie et la conduction thermique vers les cellules alentours. Cependant, des gaz sont éjectés lors du processus d’emballement et peuvent même entrer en combustion. L’impact de ces gaz et de leur combustion sur la propagation d’un emballement thermique est aujourd’hui mal pris en compte. L’utilisation de calcul multi-dimensionnels (2D et plus particulièrement 3D) est nécessaire pour correctement prédire ces effets. L’enjeu est alors de : (i) prédire la vitesse des gaz en sortie de cellule ; (ii) prédire la combustion des gaz dans l’environnement externe à la batterie. L’objectif de la présente thèse est de mettre au point un modèle couplé, qui prend en compte l’emballement interne à la cellule, la conduction thermique, la dynamique et la combustion des gaz générés par les réactions à l'intérieur de la cellule, et les transferts thermiques convectifs induits par ces gaz sur la cellule. Les résultats seront comparés à des mesures expérimentales actuellement mises en place au sein d’IFPEN. La thèse se déroulera selon plusieurs jalons : (i) Mise en place du modèle d’emballement thermique interne à la cellule en utilisant le savoir-faire IFPEN ; (ii) Intégration dans le code de calcul 3D d’un modèle prédisant l’échappement des gaz de la cellule ; (iii) simulation couplée avec combustion d’une cellule isolée et confrontation avec l’expérience ; (iv) mise en place d’un calcul de propagation d’emballement thermique dans un pack batterie industriel. 

Mots clefs: Batteries Li-ion, combustion, simulation 3D, Transferts thermiques, éjection de gaz

• Directeur de thèse    Prof. Ronan VICQUELIN, laboratoire EM2C, CentraleSupelec, ORCID : 0000-0002-2055-5244
• Ecole doctorale    ED579 SMEMAG, Université Paris Saclay
• Encadrant IFPEN    Dr Cédric MEHL, ORCID : 0000-0003-2293-9281
• Localisation du doctorant    IFP Energies nouvelles, Rueil-Malmaison, France
• Durée et date de début    3 ans, début au cours du quatrième trimestre 2024 (4 novembre)
• Employeur    IFPEN
• Qualifications    Master en CFD, physique ou modélisation numérique
• Connaissances linguistique    Bonne maîtrise de l’anglais, motivation pour apprendre le français
• Autres qualifications    Maitrise d’un ou plusieurs langages de programmation (Python, C++)

Pour postuler, merci d’envoyer votre lettre de motivation et votre CV à l’encadrant IFPEN indiqué ci-dessous.