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Connaissances de base sur les objets contrôlés du système BMS - Surcharge

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La surcharge conceptuelle, ou surcharge, est un type d'abus de batterie au lithium-ion où la tension de charge d'une batterie au lithium-ion est trop élevée au-dessus de sa tension de coupure de charge.

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La surcharge conceptuelle, ou surcharge, est un type d'abus de batterie au lithium-ion où la tension de charge d'une batterie au lithium-ion est trop élevée au-dessus de sa tension de coupure de charge. La charge d'une batterie au lithium-ion fixe généralement la tension de coupure de charge, le processus doit utiliser la méthode de charge à courant constant et à tension constante pour éviter de surcharger la batterie. Toutefois, dans des circonstances particulières, telles que les dommages causés par la BMS, un dysfonctionnement, etc., la batterie lithium-ion sera surchargée, ce qui entraînera des dommages aux performances de la batterie et des problèmes de sécurité. Une surcharge continue à un rythme élevé entraînera une augmentation de la température et de la pression interne de la batterie, ce qui aura un effet dévastateur sur les performances et l'apparence de la batterie dans les cas graves, tels que les fuites, le bombement du fond, l'augmentation de la résistance interne de la batterie et la réduction du temps de décharge et de la durée du cycle.

Le principe est bien connu, la différence entre le potentiel positif et le potentiel négatif de la tension de la batterie. Lors de la charge, le potentiel positif augmente, le potentiel négatif diminue.

La formule de réaction est la suivante :

réaction positive de l'électrode :

réaction négative de l'électrode :

x correspond à la quantité de lithium enlevée/incrustée dans le matériau de l'électrode positive/de la cathode. La relation entre le contenu et la tension du lithium positif et négatif et la relation entre la tension de la pile et la tension positive et négative sont illustrées dans la figure 1. 4.2V est la tension à pleine charge la plus courante des batteries lithium-ion, et l'incohérence sera moindre lorsqu'elle est utilisée en groupe.

Fig. 1 Relation entre la teneur en lithium et la tension des électrodes positives et négatives, relation entre la tension de la batterie et la tension des électrodes positives et négatives

En cas de surcharge, l'électrolyte positif et négatif à l'intérieur de la batterie peut participer à des réactions secondaires. La réaction secondaire s'accompagne généralement d'une perte de capacité de la batterie et d'une modification de la résistance interne, ce qui peut entraîner des températures élevées, des flatulences et, finalement, une explosion. Plus précisément, les réactions secondaires qui se produisent dans différents matériaux sont différentes.

graphite cathode surcharge batterie de réaction dans la surcharge, les ions de lithium sont facilement réduits déposés sur la surface négative : le lithium déposé enduit dans la surface négative, bloquant l'encastrement du lithium. Les raisons en sont l'efficacité de la décharge et la perte de capacité :

la quantité de lithium en circulation réduite ;

le lithium métallique déposé et le solvant ou l'électrolyte de soutien réagissent pour former du Li2CO3, du LiF ou d'autres produits ;

le lithium métal est généralement formé entre le négatif et la membrane, peut bloquer le pore de la membrane pour augmenter la résistance interne de la batterie ;

de par sa nature, le lithium est très actif, facile à réagir avec l'électrolyte et consomme de l'électrolyte. Cela entraîne une réduction de l'efficacité de la décharge et une perte de capacité. Une charge rapide, une densité de courant excessive, une polarisation sévère de l'électrode négative, un dépôt de lithium seront plus évidents. Ceci est susceptible de se produire lorsqu'il y a un excès d'activations positives par rapport aux activations négatives. Cependant, à des taux de charge élevés, le dépôt de lithium métal peut se produire même si le rapport entre les espèces réactives positives et négatives est normal.

Réaction anodique à la surcharge

La surcharge anodique est susceptible de se produire lorsque le rapport entre les espèces actives positives et négatives est trop faible par rapport aux espèces actives négatives.

La perte de capacité due à la surcharge des anodes est principalement due à la génération de substances électrochimiquement inertes (par exemple, Co3O4, Mn2O3, etc.), qui perturbe l'équilibre de capacité entre les électrodes, et la perte de capacité est irréversible. Même l'élimination d'une quantité excessive de lithium peut provoquer un effondrement structurel. Pour le cobaltate de lithium conventionnel, ternaire, la quantité maximale d'élimination du lithium est d'environ 50% ; pour la structure plus stable du phosphate de fer et de lithium de type olivine, la quantité maximale d'élimination du lithium est d'environ 80%.

① LiyCoO2

LiyCoO2→(1-y)/3[Co3O4 + O2(g)]+yLiCoO2 y<0,4

En même temps, l'oxygène produit par la décomposition des matériaux de la cathode dans une batterie lithium-ion scellée en raison de l'absence de réactions de recombinaison (par exemple pour générer H2O) et de l'accumulation simultanée de gaz inflammables produits par la décomposition de l'électrolyte, les conséquences seront inimaginables.

② λ-MnO2

la réaction lithium-manganèse se produit à l'état d'oxyde de lithium-manganèse complètement dé-lithium : λ-MnO2→Mn2O3+O2(g)

la réaction d'oxydation de l'électrolyte dans la surcharge

Lorsque la pression est supérieure à 4,5V, l'électrolyte s'oxyde et génère des substances insolubles (comme le Li2Co3) et du gaz. Ces substances insolubles obstruent les pores de l'électrode et empêchent la migration des ions lithium, ce qui entraîne une perte de capacité pendant le cycle. Facteurs affectant le taux d'oxydation :

la surface du matériau anodique

le matériel de collection

l'agent conducteur ajouté (noir de carbone, etc.)

Types de noir de carbone et taille de la surface

Parmi les électrolytes les plus couramment utilisés aujourd'hui, l'EC/DMC est considéré comme ayant la plus grande résistance à l'oxydation. Le processus d'oxydation électrochimique d'une solution est généralement exprimé comme suit : solution → produits d'oxydation (gaz, solutions et substances solides) + ne - L'oxydation de tout solvant augmentera la concentration de l'électrolyte et diminuera sa stabilité, ce qui affectera finalement la capacité de la batterie. La réaction est plus compliquée lorsque la batterie entière est surchargée. Prenons l'exemple de la batterie 40Ah NCM111+LMO/Gr. Les changements de tension, de température et de résistance interne pendant le processus de surcharge sont illustrés dans la figure 2, qui peut être divisée en quatre étapes.

Stade 1 : 1

Étape 2 : 1,2

Étape 3 : 1,4

Étape 4 : SOC>1,6, la pression interne de la batterie dépasse la limite, la coque se désagrège, le diaphragme se rétrécit et se déforme, et la batterie s'emballe thermiquement. Un court-circuit se produit à l'intérieur de la batterie, une grande quantité d'énergie est rapidement libérée et la température de la batterie augmente fortement jusqu'à 780℃. Les réactions secondaires à chaque étape de la surcharge sont illustrées dans la figure 3.

Références : D.Ren et al / Journal of Power Sources.