Chaud devant : le CNRC invente un instrument perfectionné pour tester la sécurité des batteries au lithium ionique

C'est dans les petits pots que l'on trouve les meilleurs onguents, dit‑on. Épaulé par Transports Canada, le CNRC a prouvé une fois de plus la véracité de cet adage en créant un petit élément chauffant pour les batteries au lithium‑ion. Par son approche peu invasive, réaliste et reproductible, le TRIM (pour thermal runaway initiation mechanism ou déclencheur d'emballement thermique) devrait devenir une norme mondiale dans les essais visant à établir la sûreté des batteries au lithium‑ion.

Le TRIM transmet une chaleur intense à une seule pile au lithium, déclenchant chez elle une réaction exothermique (c'est‑à‑dire, dégageant de l'énergie) qui s'alimente d'elle‑même. L'idée est d'établir dans quelle mesure une batterie résistera à une défaillance se répercutant d'une pile à l'autre, lorsqu'il y en a plusieurs (phénomène que l'on appelle « emballement thermique » ou « propagation thermique »). Bien que le risque d'une telle défaillance dans une batterie au lithium‑ion soit inférieur à 1 sur 10 millions, des incidents récents impliquant des véhicules électriques et des composants électroniques de grande consommation ou utilisés en aéronautique ont montré qu'il faut en apprendre davantage sur la sécurité des piles au lithium‑ion. L'engouement pour les voitures électriques et la production de batteries au lithium‑ion à densité énergétique de plus en plus grande soulèvent d'ailleurs de nouvelles préoccupations sur ce plan. D'autant plus que, d'ici à 2040, 530 millions de véhicules électriques pourraient sillonner les routes de la planète, comparativement aux 2 millions recensés en 2018, et toutes seront munies de batteries au lithium‑ion.

Petit élément, grandes répercussions

Avec son programme Technologies de propulsion des véhicules, le CNRC aide ses partenaires à mettre au point les technologies qui feront d'eux des chefs de file dans les chaînes d'approvisionnement en pleine expansion associées à l'électrification des véhicules. Vu sous cet angle, le TRIM s'avère l'outil idéal pour apaiser les craintes que pourrait soulever la sécurité, dans un milieu où les organismes de réglementation souhaite trouver comment vérifier hors de tout doute la conformité des mécanismes de protection qui accompagnent les batteries. Toutefois, développer la technologie du TRIM ne s'est pas fait sans peine pour l'équipe multidisciplinaire du CNRC. La miniaturisation de cette technologie et la transmission de la chaleur à la pile donnait du fil à retordre aux spécialistes qui fabriquent les éléments chauffants hors normes.

« Nous avons commencé par façonner les éléments nous-mêmes à la main, en vue d'établir les caractéristiques appropriées », explique Steven Recoskie, chercheur au CNRC. « Après avoir modifié le modèle à plusieurs reprises ces 5 dernières années, nous sommes maintenant en mesure de fabriquer massivement un appareil fonctionnel. »

L'équipe responsable de l'essai et de l'optimisation des batteries cumule des dizaines d'années d'expérience dans la vérification de la performance et de la sûreté des piles à combustible employées dans divers secteurs, dont l'armée, les produits de consommation et l'industrie. L'élaboration du TRIM illustre parfaitement la maitrise avec laquelle l'équipe s'attaque à des problèmes très précis (dans ce cas, une difficulté signalée par les organismes de réglementation du monde entier). Grâce aux résultats du TRIM, on pourra déterminer comment recourir aux matériaux d'emballage, à l'espacement et aux méthodes de gestion de la chaleur pour atténuer les risques de défaillance.

« Certes, nous pourrions effectuer des tests d'après des normes précises, mais notre véritable force réside dans la confection de solutions sur mesure », reprend M. Recoskie. « Notre objectif est d'étudier et de perfectionner les méthodes qui permettront de déceler les défaillances des batteries au lithium‑ion et d'y remédier avec la collaboration des groupes internationaux qui s'intéressent à la sécurité, le but ultime étant de préserver la réputation hors pair des véhicules électriques sur ce plan. »

Un marché en plein essor

Kyle Hendershot, ingénieur principal de l'élaboration de la réglementation à Transports Canada, souligne que les nouveaux règlements techniques mondiaux (RTM) sur la sécurité des véhicules électriques de la Commission économique des Nations Unies pour l'Europe mettent en relief l'expertise du CNRC en la matière.

« Le CNRC s'efforce de mettre au point la méthode d'expérimentation idéale et cet appareil se démarque nettement du lot », affirme M. Hendershot. « L'aide et les compétences techniques de l'équipe se sont révélées d'une utilité inestimable lors de la discussion sur les questions liées aux véhicules électriques dans le cadre des RTM, de sorte que le Canada est devenu un partenaire incontournable dans certains aspects de la réglementation technique mondiale. »

L'équipe a récemment testé le TRIM à l'échelle normale, sur un véhicule électrique totalement opérationnel. « C'est la première fois que l'on procède à une telle évaluation sur la scène internationale et que l'on en diffuse les résultats dans le monde », ajoute M. Hendershot, précisant que les travaux poursuivis présentement au CNRC dans ce domaine ont des années d'avance sur ceux réalisés ailleurs.

Outre le Canada, plusieurs pays participent activement au développement des RTM, qui s'inscrit dans un accord international plus ambitieux ratifié par 38 nations et par l'Union européenne. Le CNRC a reçu maintes demandes de chercheurs et de l'industrie au sujet du TRIM, et d'éventuels partenaires américains et chinois ont manifesté leur intérêt pour la technologie. Le TRIM est déjà exploité en Europe et des licences ont depuis peu été ratifiées avec des organismes du Japon, de l'Allemagne et du sud de l'Ontario.

« Partout sur le globe, le TRIM est reconnu comme l'instrument scientifique le plus fiable pour vérifier l'emballement thermique dans les piles au lithium‑ion », conclut M. Hendershot. « Bien qu'il ait été conçu pour l'industrie de l'automobile, l'appareil pourra être utilisé dans d'autres secteurs, car l'emballement thermique est susceptible d'affecter n'importe quelle pile au lithium‑ion. »

Dans un tel marché, le succès du TRIM a assurément de quoi emballer.