Virtual Vehicle Research GmbH optimise la sécurité des batteries avec ZwickRoell
Case Study
- Client : Virtual Vehicle Research GmbH
- Lieu : Graz, Autriche
- Secteur d'activité: Automobile
- Sujet : Tester la sécurité des batteries : caractérisation mécanique des composants de cellules de batteries afin de paramétrer les modèles de simulation de cellules par éléments finis
Juillet 2024
Grâce à la technique de mesure ZwickRoell, Virtual Vehicle Research GmbH crée des paramètres pour les modèles de simulation de cellules par éléments finis, qui décrivent précisément le comportement des matériaux des composants de cellules en cas de déformation. Avantage pratique : ces modèles servent à prévoir les courts-circuits internes et augmentent ainsi la sécurité des batteries. Les résultats des essais mécaniques servent en outre de base à la simulation des cellules de batterie sous les contraintes d’une collision.
Virtual Vehicle Research GmbH fait des recherches sur la mobilité du futur
Virtual Vehicle Research GmbH est un centre international de recherche et de développement spécialisé dans la technologie automobile et la mobilité du futur. Fondée à Graz (Autriche), l’entreprise travaille avec des partenaires industriels, des universités et des instituts de recherche afin de développer des technologies et des méthodes innovantes. L’accent est mis sur la numérisation et la virtualisation des processus de développement, la sécurité et l’efficacité des véhicules ainsi que sur la mobilité durable.
Les compétences clés de Virtual Vehicle Research GmbH incluent la simulation et la validation de composants automobiles, le développement de systèmes d’assistance et l’optimisation des groupes motopropulseurs. En se concentrant sur la recherche interdisciplinaire et les solutions pratiques, l’entreprise contribue de manière significative au développement de l’industrie automobile et aide à la transition vers des concepts de mobilité intelligents et respectueux de l’environnement.
Les Top Compétences de ZwickRoell pour les essais relatifs à la sécurité des batteries
- Production de résultats d’essai reproductibles pour tester la sécurité des batteries
- Précision et exactitude de mesure des machines d’essai
- Amélioration du rendement
- Bonne communication sur le projet et avec les partenaires
- Soins apportés à la manipulation des composants de la batterie
- Produits et solutions innovants
La demande
Cellules de batteries : caractérisation mécanique des composants dans des conditions proches de la réalité
Les cellules des batteries lithium-ion contiennent un électrolyte organique liquide qui est toxique et inflammable. Cet électrolyte permet la circulation des ions entre les électrodes et est donc un composant essentiel pour garantir le bon fonctionnement des batteries lithium-ion. Les électrolytes reposent essentiellement sur le sel conducteur (généralement de l’hexafluorophosphate de lithium), qui est dissous dans différents carbonates organiques, par exemple le carbonate d’éthylène (EC) ou le carbonate de diméthyle (DMC).
Afin de créer un environnement fidèle à la réalité pour les matériaux à tester, il était important pour Virtual Vehicle Research GmbH de tester les composants mouillés par l’électrolyte. Pour respecter les consignes de sécurité applicables dans le laboratoire d’essai, un électrolyte de substitution, qui ne contenait pas d’hexafluorophosphate de lithium (LiPF6), a été utilisé à cet effet.
La tâche principale de ZwickRoell consistait à caractériser mécaniquement tous les composants individuels de la cellule de batterie et ce, dans des conditions proches de la réalité. Une grande difficulté fut de serrer les éprouvettes mouillées par l’électrolyte, par exemple le séparateur, qui est en général très fin (environ 20 µm) et souple. Pour cela, il fallut avant tout faire preuve de doigté et de patience.
La solution ZwickRoell pour tester la sécurité des batteries
Essais de traction et de compression pour la caractérisation mécanique
La première tâche fut de créer des éprouvettes de cellules de batteries appropriées. Pour ce faire, ZwickRoell a découpé des éprouvettes de séparateurs rectangulaires à l’aide d’un outil de découpe. L’entreprise s’est focalisée sur le séparateur à revêtement céramique car il joue un rôle clé dans la prévention des courts-circuits. Le séparateur permet de séparer les électrodes les unes des autres, tant sur le plan électrique que spatial. Les éprouvettes de séparateurs ont été testées à l’état sec et imprégnées d’électrolyte (« humides »). Ces essais ont permis de mettre en évidence différents comportements de défaillance des séparateurs.
Les éprouvettes utilisées pour les essais de compression étaient composées de 100 couches individuelles empilées les unes sur les autres. La raison de cette procédure : cela augmente la précision de mesure de la déformation lors de l’essai. Une force de précontrainte a été appliquée pour refermer les espaces entre les couches. Afin de garantir la reproductibilité des résultats, cinq essais ont été réalisés au total pour chaque configuration d’essai.
Une Z100 AllroundLine de ZwickRoell avec un capteur de force Xforce 100 kN a été utilisée comme machine d’essai. Lors de l’essai de compression, le déplacement a été mesuré en tenant compte de la rigidité machine à l’aide d’un système de mesure de course de la traverse. Lors des essais de traction, un extensomètre vidéo a été utilisé pour la mesure de l’allongement.
« Le rapport d’essai complet et professionnel, qui a été transmis rapidement avec les données d’essai, mérite d’être souligné. Il reflète à la fois le soin apporté à la manipulation des différents composants de la batterie et la grande précision des machines d’essai. Malgré les défis importants liés à la manipulation des différents composants de cellules très minces et imprégnés d’électrolyte, ce qui imite les conditions ambiantes réelles, les ingénieurs d’essai de ZwickRoell ont pu générer des résultats d’essai reproductibles et fiables. »
Dr Patrick Kolm, Chercheur principal │ Battery Crash Safety
Le résultat
Connaissances sur le comportement de déformation mécanique des séparateurs
Essais de traction :
L’illustration 1 montre, outre l’influence de la vitesse de traction (10 mm/min, 100 mm/min et 500 mm/min), l’influence de l’électrolyte sur les éprouvettes de séparateurs, qui ont été testées à titre d’exemple dans le sens transversal. Les séparateurs testés « à l’état humide» ont été prélevés dans un bain d’électrolyte de substitution (mélange de carbonate de diéthylène et de carbonate d’éthylène) juste avant l’essai. Les résultats d’essai montrent que les éprouvettes de séparateurs « humides » présentent une plus grande rigidité que les éprouvettes « sèches ».
De manière générale, on observe que les séparateurs revêtus de céramique et imprégnés d’électrolyte présentent une plus grande rigidité lorsqu’ils sont soumis à une traction. En raison du revêtement Al2O3 du séparateur, la surface forme une structure rugueuse et poreuse. Une raison possible à cette résistance plus élevée à la déformation pourrait être l’interaction entre le revêtement et l’électrolyte, qui repose sur des forces d’adhésion.
Essais de compression :
L’illustration 2 montre l’influence de l’électrolyte sur le comportement de déformation mécanique de l’empilement de séparateurs. Elle présente à titre de comparaison la courbe force-course de l’empilement de séparateurs préalablement imprégné d’un électrolyte de substitution (mélange de carbonate de diéthylène et de carbonate d’éthylène) et celle d’un empilement « sec ». Les résultats d’essai montrent que l’empilement de séparateurs « humide » provoque une augmentation de la force nettement moins importante que l’empilement « sec ». De manière générale, on observe que les séparateurs imprégnés d’électrolyte présentent une rigidité moindre lorsqu’ils sont soumis à une compression. Ces résultats confirment qu’une caractérisation directionnelle est essentielle pour un paramétrage réaliste du séparateur dans le modèle de simulation de cellule.
Perspectives :
Actuellement, Virtual Vehicle et ZwickRoell approfondissent encore leur collaboration pour la caractérisation mécanique de composants de cellules sous contrainte de pression grâce à l’application de méthodes de mesure innovantes. Dans le cadre d’un travail scientifique, la technique de mesure ZwickRoell de haute précision doit permettre la caractérisation d’éprouvettes de composants monocouches très minces (de l’ordre du μm) sous charge de compression afin d’améliorer en permanence la qualité des données disponibles sur les matériaux pour la simulation.
