Avant d’envoyer un équipement dans l’espace, la NASA essaie de limiter et de planifier toute panne grâce à des tests exhaustifs, jusqu’aux cellules individuelles d’une batterie.
Pour y parvenir, la NASA et le National Renewable Energy Laboratory (NREL) ont créé un dispositif qui provoque un court-circuit interne à l’intérieur des couches d’une cellule de batterie, corrompant intentionnellement la cellule en faisant fondre une fine couche de cire et en forçant les cellules de test à échouer. une heure et un lieu précis dans la cellule. Ces informations permettent à la NASA de répondre à ses exigences strictes en matière de sécurité des batteries.
Les ingénieurs NREL Matt Keyser (à gauche) et Ahmad Pesaran utilisent le système de matrice à fente pour recouvrir les composants utilisés dans le dispositif de court-circuit interne (ISC-D). Photo de Dennis Schroeder, NREL
“Si vous savez comment la cellule va réagir en cas de court-circuit interne, vous pouvez trouver des moyens de rendre cette cellule plus sûre”, a déclaré Matt Keyser, ingénieur principal en stockage d’énergie du NREL. “Une fois que vous avez compris comment cela échoue, vous pouvez alors examiner ce qui est disponible pour remédier au point d’échec.”
Ceci est essentiel pour tester les batteries de la Station spatiale internationale, les missions Artemis sur la Lune et les futures missions vers Mars.
“Les cellules de déclenchement du dispositif de court-circuit interne (ISC-D) sont notre méthode préférée pour mener nos campagnes de tests de batteries pour toutes nos missions habitées”, a déclaré Eric Darcy, responsable de la discipline technique des batteries au Johnson Space Center de la NASA.
Keyser, un vétéran du NREL depuis 31 ans, faisait partie de l’équipe qui a initialement créé l’ISC-D, aux côtés de l’ingénieur en chef du stockage d’énergie du NREL, Ahmad Pesaran, et de l’ingénieur de la NASA, Eric Darcy.
“En 2010, j’ai obtenu un congé sabbatique de la NASA pour travailler au NREL pendant un an”, a déclaré Darcy. «J’étais à Golden, dans le Colorado, avec Matt Keyser qui inventait le dispositif de court-circuit interne. Cela a à peine fonctionné, mais nous avons fait une preuve de concept au cours de cette année-là. En 2014, nous l’avions enfin prêt pour les heures de grande écoute. »
La cire « Boucle d’or » s’avère parfaite pour l’ISC-D
Le dispositif est implanté dans la cellule par le fabricant, entre l’anode et la cathode, pour devenir une cellule de déclenchement spéciale dotée d’un point de court-circuit interne à la demande. Une fois la cire isolante fondue, un court-circuit important se produit dans la cellule, réagissant comme si elle présentait un court-circuit interne induit par un défaut de fabrication en un seul point.
De tels défauts continuent de nuire à l’industrie des cellules lithium-ion et entraînent des pannes de champ rares mais catastrophiques dans les batteries. La méthode ISC-D est plus représentative de ces défaillances sur le terrain que la méthode standard de pénétration des clous et peut provoquer de multiples courts-circuits internes dans la cellule ou des déclencheurs thermiques qui font fondre de grandes parties du séparateur entre l’anode et la cathode au-dessus de 130 degrés Celsius.
“Nous avions parcouru toutes les itérations pour l’appareil, mais ce n’était pas tout à fait correct”, a déclaré Keyser. “Quand Eric a commencé son congé sabbatique, il a suggéré d’essayer la cire de paraffine comme isolant.”
La cire de paraffine s’est avérée trop cassante, alors Keyser a étudié la cire microcristalline, qui était trop molle. La cire Boucle d’or était une combinaison de paraffine et de microcristalline. La cire a également un point de fusion de 57 degrés Celsius, ce qui est bien inférieur à celui des autres formes de tests.
L’ingénieur principal du NREL, Matt Keyser, tient une feuille de disques de cuivre, l’un des métaux qui composent l’ISC-D. Après l’implantation de l’ISC-D dans une cellule, un court-circuit interne est induit dans la cellule en faisant fondre une fine couche de cire, qui est ensuite évacuée par un mince séparateur en plastique entre la cathode et l’anode, laissant les composants métalliques restants induire un court-circuit interne. Des capteurs enregistrent les réactions de la cellule. Photo d’Ellen Jaskol, NREL
“Presque toutes les conceptions de batteries destinées aux applications d’engins spatiaux habités ont été vérifiées pour résister à la propagation de l’emballement thermique d’une cellule à l’autre grâce à des campagnes de tests utilisant des cellules de déclenchement avec l’ISC-D”, a déclaré Darcy. « Cette méthode garantit le moins de risque de surtest ou de sous-test lors du déclenchement d’un événement d’emballement thermique (TR) de cellule individuelle dans une batterie comportant de nombreuses cellules. Des batteries correctement conçues peuvent tolérer un événement TR sur une seule cellule dans n’importe quel endroit sans propagation, ce qui ne fait que dégrader les performances. En revanche, si la propagation du TR de cellule à cellule se produit, cela peut signifier une défaillance catastrophique. Il peut détruire la capsule, avec perte du véhicule et/ou perte de l’équipage.
Les licences technologiques permettent une commercialisation à grande échelle
Après que l’équipe ait fait fonctionner l’ISC-D de manière cohérente, de sorte que de grandes batteries de test puissent être assemblées avec ces cellules de déclenchement, la technologie a remporté un prix R&D 100 et NREL a entamé des discussions avec une société appelée KULR Technology Group au sujet d’une licence pour la technologie du NREL. NREL concède ses technologies sous licence aux entreprises par l’intermédiaire du Bureau de transfert de technologie, car le laboratoire donne la priorité à la recherche plutôt qu’à la production de masse.
“Les chercheurs ne sont pas prêts à fabriquer des centaines d’appareils exactement de la même manière, encore et encore”, a déclaré Keyser. «Nous recherchons de nouvelles inventions et, si cela fonctionne, nous les transférons à l’industrie et passons au projet suivant.»
NREL a accordé à KULR une licence exclusive en 2018, et la société vend désormais l’ISC-D à divers fabricants de batteries, y compris ceux qui fournissent la NASA, ce qui signifie que la boucle est bouclée.
“Chez KULR, nous nous concentrons sur tout ce qui concerne la sécurité des batteries”, a déclaré Will Walker, directeur de la technologie de KULR et ancien ingénieur en batteries de la NASA.
Que signifie concevoir une batterie sûre et démontrer la sécurité sous la forme d’un test ?
« Les tests d’emballement thermique au niveau du pack et du système présentent des difficultés considérables », a déclaré Walker. « La beauté de la cellule ISC-D est qu’elle se déclenche à une température contrôlée plus basse, ce qui entraîne moins de polarisation sur les cellules voisines dans l’expérience. Le résultat est une méthode de déclenchement moins invasive dans son ensemble.
Grâce à l’accord de licence, KULR détient les droits exclusifs de vendre l’ISC-D et les cellules sur lesquelles l’ISC-D est implanté.
“C’est une solution très élégante”, a déclaré Walker. “Pour KULR, nous voulons être à la pointe de la technologie en matière de sécurité, et c’est la seule véritable méthode de déclenchement non invasive disponible.”
Les batteries que la NASA teste avec l’ISC-D incluent celles des nouvelles combinaisons, équipements et vaisseaux spatiaux destinés aux humains.
Récemment, un groupe universitaire est venu au NREL pour présenter les meilleures façons de tester une cellule de batterie interne. Keyser était présent dans le public lorsque le groupe a conclu que la technologie ISC-D de l’équipe NREL était la meilleure.
“C’était très satisfaisant pour moi”, a déclaré Keyser. “La technologie que nous avons développée est la meilleure technologie pour simuler un court-circuit interne.”
L’ISC-D peut également être utilisé pour tester les batteries de véhicules électriques ou de réseau. Keyser espère également que plusieurs organismes de test adopteront cette technologie dans le cadre de leurs processus.
“Un certain nombre de fabricants l’utilisent, mais je souhaite le voir intégré aux procédures et protocoles de test afin de rendre les cellules plus sûres”, a déclaré Keyser. “Notre technologie est la seule capable d’imiter un véritable court-circuit interne, donnant ainsi aux ingénieurs de batteries une image précise afin qu’ils puissent concevoir des systèmes de batteries plus sûrs.”
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2024-04-22 18:46:33
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