Chercheuse à Rober­val, Khadi­ja El Kadri Benkara est respon­s­able de toutes les plate­formes de recherche en énergie élec­trique. Un de ses axes de recherche est con­sacré à l’optimisation des per­for­mances et de la durée de vie des bat­ter­ies. Elle tra­vaille sur plusieurs pro­jets de recherche sur les bat­ter­ies (CALIX, HIPOBAT…) et encadre actuelle­ment une thèse rel­a­tive aux aspects ther­miques de la batterie.

« Les bat­ter­ies comme source de stock­age d’énergie ont con­tribué large­ment au développe­ment de nos objets tech­nologiques tels nos télé­phones porta­bles ou nos ordi­na­teurs, des réseaux à éner­gies renou­ve­lables ou encore de nos moyens de mobil­ité élec­trique (véhicules élec­triques, trains élec­triques, avions élec­triques, vélos élec­triques…) qui con­tribuent à la tran­si­tion énergé­tique mon­di­ale », estime-t-elle.

Cepen­dant, les bat­ter­ies ne sont pas sans risque. Ain­si, les bat­ter­ies lithi­um-ion, les plus répan­dues, peu­vent provo­quer des incendies liés à l’échauffement incon­trôlé de ces bat­ter­ies. « Dans nos études, notre objec­tif est de bien com­pren­dre ces phénomènes de trans­fert de chaleur ain­si que le com­porte­ment ther­mique de la bat­terie. Pour cela, nous util­isons la calorimétrie, sci­ence qui étudie la mesure de la chaleur échangée lors d’un proces­sus physique », dit-elle.

De nom­breuses études mon­trent que la tem­péra­ture est un des prin­ci­paux fac­teurs influ­ençant, entre autres, le vieil­lisse­ment et par là même sa durée de vie. « Une bat­terie n’aime pas les tem­péra­tures extrêmes. Son fonc­tion­nement est opti­mal autour de 25 °C un peu comme le corps humain (à 37 °C). Si la tem­péra­ture aug­mente beau­coup, on peut avoir un risque d’emballement et, si la tem­péra­ture baisse en dessous de 0 °C, la bat­terie perd de ses per­for­mances. La tem­péra­ture a donc un impact direct sur ce qu’on appelle l’état de san­té de la bat­terie SOH (state of health) et son état de charge SOC (state of charge) », explique Khadi­ja El Kadri Benkara.

Étude fine du comportement thermique des batteries

Com­ment mesur­er con­crète­ment la « chaleur » ? « D’abord, nous avons mis en place des mesures de tem­péra­ture en sur­face grâce à des ther­mo­cou­ples ou par caméra infrarouge. Nous avons égale­ment mis en œuvre une mesure de tem­péra­ture à l’intérieur de la bat­terie, la mesure de sur­face n’étant pas tou­jours représen­ta­tive de la tem­péra­ture réelle de la bat­terie. Cepen­dant, l’accès à la tem­péra­ture interne de la bat­terie reste une méth­ode déli­cate et intru­sive. De plus, la dis­tri­b­u­tion de la tem­péra­ture au sein de la bat­terie est loin d’être uni­forme. Il s’agira, pour avoir une mesure fidèle de la tem­péra­ture, de mul­ti­pli­er les points de mesure et donc le nom­bre des cap­teurs. Nous avons pour cela une col­lab­o­ra­tion avec le Col­lège de France qui intè­gre une mesure de tem­péra­ture à l’intérieur de la bat­terie par fibres optiques dans le cadre du pro­jet HIPOBAT. Enfin, nous avons dévelop­pé des out­ils pour mesur­er directe­ment le flux de chaleur généré par la bat­terie. En effet, la mesure de la chaleur pen­dant le fonc­tion­nement de la bat­terie con­stitue une étape impor­tante. Nous util­isons des fluxmètres avec des méth­odes d’étalonnage afin d’améliorer la pré­ci­sion de nos mesures. Ce tra­vail est réal­isé dans le cadre d’une thèse co-financée par la Région Hauts-de-France (pro­jet ETHERION) et le pro­jet de recherche inter­na­tion­al IRP ADONIS en parte­nar­i­at avec l’université libanaise », détaille-t-elle.

La tem­péra­ture est en effet un paramètre clé pour com­pren­dre le fonc­tion­nement de la bat­terie, tant en matière de durée de vie que de son état de san­té ou encore de ses performances.

Récem­ment, le lab­o­ra­toire a fait l’acquisition d’un calorimètre isotherme. Un équipement financé par le CPER EE4.0 (pro­jet CALIX) qui a été dévelop­pé récem­ment par THT (Ther­mal Haz­ard Tech­nol­o­gy) pour les bat­ter­ies en for­mats poche, pris­ma­tique ou cylin­drique. « Très peu de lab­o­ra­toires pos­sè­dent ce type de matériel, il sera d’une grande util­ité pour le développe­ment de nos plate­formes et moyens d’essais. La calorimétrie isotherme nous per­me­t­tra ain­si d’analyser plus fine­ment les phénomènes élec­trochim­iques en con­di­tion isotherme (c’est à dire avec con­trôle de la tem­péra­ture de la bat­terie à une valeur con­stante). Cela per­met de maîtris­er la tem­péra­ture de la bat­terie et de réalis­er des essais en con­di­tions prop­ices à la val­i­da­tion de mod­èles, en décou­plant les phénomènes, avec un con­trôle réel de sa tem­péra­ture », assure-t-elle.

Le calorimètre, équipement à la pointe de la tech­nolo­gie, va per­me­t­tre à l’équipe d’aller plus loin dans les expéri­men­ta­tions. « Nous allons pou­voir con­tin­uer à dévelop­per nos con­nais­sances sur les bat­ter­ies des­tinées à des appli­ca­tions avec des con­traintes fortes comme les bat­ter­ies haute puis­sance ou celles à charge rapi­de. Dans ces deux cas en par­ti­c­uli­er, le com­porte­ment ther­mique de la bat­terie a un fort impact sur ses per­for­mances mais aus­si sur sa durée de vie. Nous pou­vons égale­ment met­tre à prof­it la mesure calorimétrique pour obtenir une preuve de con­cept con­cer­nant le mod­èle de for­ma­tion SEI Solide Elec­trolyte Inter­face. Cette for­ma­tion est en effet très impor­tante dans la phase de pro­duc­tion des cel­lules des bat­ter­ies dans le cadre du développe­ment des gigafac­to­ries », con­clut Khadi­ja El Kadri Benkara. 

MSD