Etude de la conduction thermique spirale dans les cellules lithium-ion cylindriques

Overview & Synopsis

La gestion thermique des batteries Li-ion cylindriques constitue un enjeu majeur pour améliorer leur performance, leur sécurité et leur durabilité. Dans cette optique, cette thèse s’intéresse à la modélisation et à la gestion de la chaleur dans ces batteries, en combinant une approche expérimentale et numérique, avec un accent particulier sur l’identification des paramètres thermiques clés tels que la conductivité thermique et la capacité thermique de ces cellules. La première partie du travail consiste à caractériser la conductivité thermique anisotrope des cellules cylindriques. La structure interne en spirale (ou enroulement type jelly roll) introduit une complexité supplémentaire dans la modélisation, avec des comportements de conduction différents selon les directions radiale, axiale et tangentielle à l’enroulement. Afin d’évaluer l’impact de cette géométrie sur les transferts thermiques, de premières simulations en régime permanent ont été menées. Un modèle 2D représentant la spirale a été développé sous COMSOL Multiphysics, puis comparé à un modèle 1D cylindrique . Les résultats suggèrent que, pour les cellules contenant un grand nombre de spires, une simplification par un modèle cylindrique reste acceptable, tout en facilitant considérablement les calculs. Cette même partie de la thèse porte également sur la possibilité de représenter thermiquement la cellule par modèle homogène, dans le sens radial. Nous cherchons ainsi à déterminer s'il est possible de considérer des propriétés thermiques équivalentes pour l'ensemble des couches de la cellule. Pour ce faire, nous réalisons des simulations en régime transitoire pour une spirale, un cylindre multicouche et un autre avec une seule couche équivalente. Ces simulations numériques et par quadripôles thermiques, permettent de vérifier la faisabilité de l’approche homogène pour une future caractérisation expérimentale. La comparaison est en outre effectuée en termes d’impédance et de transmittance thermiques, pour orienter le choix de la méthode expérimentale vis-à-vis de l’incertitude de mesure.