Modélisation analytique d’un système de refroidissement à base de PCM pour batteries lithium‑ion

Pourquoi des batteries plus fraîches comptent

Les batteries lithium‑ion alimentent nos téléphones, ordinateurs portables et véhicules électriques, mais elles font face à un problème discret : elles chauffent. Un excès de chaleur peut raccourcir la durée de vie d’une batterie et, dans les cas extrêmes, provoquer des défaillances dangereuses. Cette étude examine une solution intelligente pour maîtriser cette chaleur en utilisant des matériaux spéciaux qui fondent et absorbent l’énergie, et propose une méthode rapide de type « crayon‑papier » pour prédire l’efficacité de ce refroidissement avant même que les ingénieurs ne fabriquent un pack.

Stocker l’énergie et évacuer la chaleur

À mesure que nous nous éloignons des combustibles fossiles, les batteries deviennent centrales pour stocker de l’électricité propre et propulser des véhicules. Les cellules lithium‑ion sont attractives car elles emmagasinent beaucoup d’énergie dans un petit volume et peuvent être chargées et déchargées de nombreuses fois. L’inconvénient est que les mêmes réactions qui fournissent une puissance élevée produisent aussi de la chaleur. Si la température devient trop élevée ou varie fortement à l’intérieur d’un pack, les cellules vieillissent plus vite, perdent de la capacité et sont plus susceptibles d’entrer en emballement thermique, la réaction en chaîne pouvant conduire à un incendie.

Une gaine semblable à de la cire autour de chaque cellule

Une solution prometteuse consiste à envelopper chaque cellule d’un matériau à changement de phase, souvent une substance semblable à de la cire. Lorsque la batterie chauffe, ce matériau fond et absorbe de grandes quantités d’énergie tout en restant près d’une température unique, un peu comme la glace qui garde une boisson froide en fondant. Des expériences et des simulations numériques antérieures ont montré que de telles gaines peuvent garder la surface extérieure des batteries plus fraîche et plus uniforme, mais jusque‑ici, la théorie pour les cellules cylindriques était limitée, lente à exécuter ou reposait sur des simplifications fortes.

Une façon plus rapide de prédire la chaleur à l’intérieur des cellules rondes

Les auteurs développent un modèle analytique, c’est‑à‑dire un ensemble d’équations qui peuvent être résolues directement plutôt que par une simulation numérique lourde. Ils scindent le problème en deux parties liées : la chaleur générée et conduite à l’intérieur de la batterie ronde, et la chaleur absorbée et transportée dans le matériau à changement de phase environnant lorsqu’il fond vers l’extérieur depuis la surface de la cellule. En utilisant un outil mathématique appelé fonction de Green pour la cellule et une expansion en perturbation pour le matériau en fusion, ils font correspondre de façon itérative la température et le flux de chaleur à la frontière partagée jusqu’à ce que les deux côtés convergent. Cela fournit la température à chaque rayon à l’intérieur de la cellule et la position du front de fusion au fil du temps.

Ce qui contrôle la température du noyau de la batterie

Avec les nouvelles équations, les chercheurs testent comment différentes propriétés influent sur les performances de refroidissement. Ils confirment qu’augmenter la conductivité thermique du matériau à changement de phase abaisse la température de surface de la batterie et aide à répartir la chaleur, mais seulement jusqu’à un certain point. Le point le plus chaud du système reste le noyau de la cellule, et cette région répond surtout à la conductivité propre de la batterie : améliorer la conductivité de la cellule peut réduire la température maximale du noyau d’environ deux‑tiers dans leurs cas d’étude. Augmenter la capacité du matériau à stocker la chaleur de fusion lisse davantage les températures de surface, mais cela a un effet relativement faible sur la région la plus chaude au cœur de la cellule.

Concevoir des packs pour la puissance et la sécurité

Le modèle montre aussi comment des cycles de décharge rapides et des courants plus élevés entraînent un chauffage et une fusion plus rapides du matériau environnant. En suivant l’avancement du front de fusion, les auteurs peuvent estimer l’épaisseur nécessaire de la couche de matériau à changement de phase pour qu’elle ait fini de fondre au même rythme que la batterie termine sa décharge la plus exigeante. Cet équilibre maintient les températures dans une fenêtre sûre tout en évitant l’ajout de cire inutile qui augmenterait le poids et réduirait la capacité énergétique globale. L’étude conclut que si le refroidissement par changement de phase est un outil passif efficace, son plein potentiel pour les cellules cylindriques n’est atteint que lorsque les cellules elles‑mêmes sont conçues pour faciliter l’évacuation de la chaleur depuis leurs noyaux.

Citation: Farajollahi, A., Gheshlaghchaei, B.A., Jalalvand, M. et al. Analytical modeling of pcm-based cooling system for lithium-ion batteries. Sci Rep 16, 14791 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44226-9

Mots-clés: batteries lithium‑ion, refroidissement des batteries, matériau à changement de phase, gestion thermique, cellules cylindriques