Barrières au niveau cellule et module : papier de fibres, laminés microporeux et aérogel en comparaison

Un emballement thermique (thermal runaway) commence toujours dans une cellule isolée. Qu'il en résulte un événement localement circonscrit ou un embrasement généralisé de tout le conteneur de stockage se décide dans les premières secondes et minutes — et précisément sur la question de savoir si la cellule voisine doit absorber ou non la chaleur transmise. C'est exactement là qu'interviennent les barrières thermiques au niveau cellule et module : de fines couches de séparation entre les cellules ainsi que des plaques de séparation entre modules, qui limitent le flux thermique jusqu'à ce que l'énergie libérée soit évacuée ou répartie.

Pour les concepteurs et installateurs de systèmes de stockage par batteries stationnaires, le sujet est doublement pertinent. Premièrement, des méthodes d'essai comme UL 9540A évaluent le comportement de propagation de la cellule au module puis à l'unité — une barrière efficace au niveau cellule améliore le résultat à tous les niveaux supérieurs. Deuxièmement, l'espace disponible dans les racks modernes est extrêmement compté : chaque millimètre de matériau de barrière entre en concurrence avec la densité énergétique. Le choix du matériau est donc toujours un compromis entre performance thermique, épaisseur, comportement mécanique et coûts.

Les papiers et matelas en fibres haute température — laine de silicate d'aluminium classique ou laine de silicate alcalino-terreux biosoluble — sont établis depuis des décennies dans la construction de fours industriels. Leurs atouts : des températures de classification très élevées (selon le type de fibre, typiquement de l'ordre de 1 100 à 1 400 °C), une bonne disponibilité, une confection simple par découpe ou poinçonnage et un prix modéré. Comme couche de séparation entre modules ou comme revêtement de boîtiers de modules, ils rendent des services fiables.

Leurs limites résident dans la conductivité thermique et le comportement mécanique. Les papiers de fibres isolent nettement moins bien que les matériaux microporeux ou les aérogels et nécessitent donc plus d'épaisseur pour le même effet protecteur. Sous compression permanente, ils perdent en outre leur capacité de reprise élastique — pour les positions où le gonflement des cellules doit être absorbé avec effet ressort, ils ne conviennent donc que partiellement à eux seuls. Pour les fibres de silicate d'aluminium classiques, il faut par ailleurs tenir compte de leur classement comme potentiellement cancérogènes, qui impose des mesures de protection particulières lors de la mise en œuvre et de la dépose ; les fibres biosolubles contournent ce sujet.

• Utilisation typique : couches de séparation entre modules, revêtement de boîtiers de modules et de racks, doublage de canaux d'évacuation des gaz
• Atouts : haute résistance à la température, mise en œuvre simple, économique
• Faiblesses : conductivité thermique plus élevée, reprise élastique limitée, problématique des poussières de fibres selon le type de fibre

Les isolants microporeux sont constitués de silice pyrogénée avec des opacifiants et atteignent des tailles de pores inférieures au libre parcours moyen des molécules d'air. Le résultat est une conductivité thermique qui, à haute température, est inférieure à celle de l'air immobile — aucun autre matériau courant n'isole mieux par millimètre au contact de gaz chauds. Les températures de classification se situent, selon le produit, le plus souvent autour de 1 000 °C. C'est précisément cette combinaison qui fait des plaques et laminés microporeux le premier choix lorsqu'un gradient de température abrupt doit être maintenu dans un espace très restreint.

Le prix à payer est une sensibilité mécanique : le matériau est sensible à la pression et poussiéreux, raison pour laquelle il est pratiquement toujours mis en œuvre avec un parement — soudé sous film, gainé de tissu de verre ou en laminé avec des couches de parement en mica ou en feuille métallique. De tels laminés combinent l'effet isolant du cœur microporeux avec la rigidité diélectrique et la résistance à l'érosion par particules de la couche de parement. Pour les positions soumises à compression cyclique — directement entre des cellules qui respirent —, le matériau est en revanche inadapté, car il peut se compacter sous charge alternée et perdre sa structure.

Les aérogels de silice comptent parmi les solides les moins conducteurs de chaleur qui soient ; les composites d'aérogel renforcés de fibres atteignent à température ambiante des conductivités thermiques de l'ordre de 0,015 à 0,02 W/(m·K). Mais ce qui est surtout intéressant pour le niveau cellule, c'est la combinaison d'effet isolant, de faible épaisseur et de souplesse mécanique : des coussinets d'aérogel de quelques millimètres d'épaisseur peuvent résister brièvement à des températures de flamme très élevées tout en absorbant élastiquement la respiration et le gonflement des cellules sur des milliers de cycles, sans accumuler de déformation rémanente notable.

Les composites d'aérogel occupent ainsi la position que ni le papier de fibres ni les laminés microporeux ne couvrent : la barrière directe de cellule à cellule dans les modules prismatiques et entre cellules pouch, où barrière et coussin de compression se confondent en un seul composant. Les inconvénients sont le prix plus élevé, la température d'utilisation continue limitée selon le produit par rapport à la fibre céramique, ainsi qu'un dégagement de poussières possible, lui aussi maîtrisé par des parements. Pour les séparations de modules de grande surface ou les revêtements d'enveloppes, ils ne sont souvent pas le premier choix sur le plan économique.

• Papier de fibres : grande réserve de température, exige de l'épaisseur — bon pour la séparation de modules et les enveloppes
• Laminé microporeux : meilleur effet isolant par millimètre, sensible à la pression — bon pour les barrières statiques en espace restreint
• Composite d'aérogel : isole très bien et amortit le gonflement — bon pour la position de cellule à cellule
• Mica : fort mécaniquement et électriquement, isole peu — bon comme couche de parement dans un complexe multicouche

Le choix du matériau ne commence pas par la fiche technique, mais par le cas de charge : quelle quantité d'énergie la cellule libère-t-elle, combien de temps dure le dégazage, quelles températures et quels flux de particules s'exercent sur la barrière, et quelle température la face froide peut-elle atteindre au maximum pour que la cellule voisine n'entre pas dans la zone critique ? De ces conditions aux limites découlent l'épaisseur et la composition — souvent sous forme de complexe multicouche combinant cœur isolant, protection contre les particules et isolation électrique.

La preuve de l'efficacité s'apporte en dernier ressort par l'essai : les essais de propagation au niveau cellule et module, standardisés en Amérique du Nord via UL 9540A, montrent si la barrière stoppe réellement la propagation ou ne fait que la retarder. Important pour les exploitants : un changement de matériau au cours de la vie du produit — par exemple pour des raisons de coûts ou d'approvisionnement — peut remettre en cause la validité des justifications d'essai existantes. Les matériaux de barrière relèvent donc du contrôle des modifications du concept de sécurité, et non de l'approvisionnement libre.