Emballement thermique de la batterie d'un véhicule électrique

Les questions de sécurité constituent le principal obstacle à l'application à grande échelle des batteries lithium-ion dans les véhicules électriques.

Avec l'amélioration continue de la densité énergétique des batteries lithium-ion, l'amélioration de leur sécurité est de plus en plus urgente pour le développement des véhicules électriques. L'emballement thermique est une question clé dans la recherche sur la sécurité des batteries. C'est pourquoi cet article présente un examen complet du mécanisme d'emballement thermique des batteries lithium-ion commerciales utilisées dans les véhicules électriques. Il résume les situations d'abus susceptibles d'entraîner un emballement thermique. Les situations d'abus comprennent les abus mécaniques, les abus électriques et les abus thermiques. Les courts-circuits internes sont la caractéristique la plus courante de toutes les situations d'abus.

Abus mécanique

Sous l'effet de forces externes, la déformation des éléments de piles au lithium et des assemblages de piles, ainsi que le déplacement relatif de différentes parties, est la principale caractéristique externe de l'abus mécanique. Les principales formes de déformation des éléments de batterie sont la collision, la compression et la pénétration d'un clou. Compte tenu du niveau du bloc-batterie, les problèmes de vibration doivent également être pris en considération.

En ce qui concerne les abus mécaniques, le plus dangereux est la pénétration d'un ongle, lorsque le conducteur est inséré dans le corps de la batterie, ce qui provoque un court-circuit direct entre les pôles positif et négatif. Par rapport aux collisions, à l'écrasement, etc., les courts-circuits internes ne sont qu'une probabilité. La production de chaleur pendant le processus de pénétration du clou est plus intense, et la probabilité d'un échauffement incontrôlé est plus élevée.

Auparavant, la pénétration de l'ongle était considérée comme une méthode de test alternative pour l'ISC. Cependant, la répétabilité du test de l'aiguille est remise en question par les fabricants de batteries. Certains pensent que les batteries lithium-ion à haute densité énergétique ne passeront jamais le test de l'aiguille standard. L'amélioration de la répétabilité du test de pénétration de l'aiguille ou la recherche d'autres méthodes d'essai reste une question ouverte et difficile dans la recherche sur la sécurité des batteries lithium-ion.

Abus électrique

Les abus électriques des batteries au lithium comprennent généralement les courts-circuits externes, la surcharge et la décharge, la surcharge étant la plus susceptible de se transformer en emballement thermique.

Un court-circuit externe se produit lorsque deux conducteurs présentant une différence de pression sont connectés à l'extérieur de la cellule. Le court-circuit externe de la batterie peut être causé par une déformation, une immersion, une contamination du conducteur ou un choc électrique lors de l'entretien causé par des collisions de voitures.

Par rapport à la pénétration d'un clou, la chaleur dégagée par les courts-circuits externes ne chauffe généralement pas la batterie. Le lien important entre le court-circuit externe et l'emballement thermique est la température excessive. Lorsque la chaleur générée par les courts-circuits externes ne peut pas être dissipée correctement, la température de la batterie augmente et la chaleur de contact à haute température devient incontrôlable. Par conséquent, la coupure du courant de court-circuit ou la dissipation de l'excès de chaleur sont des méthodes permettant d'éviter les dommages supplémentaires causés par un court-circuit externe.

Surcharge

En raison de son contenu énergétique élevé, il s'agit du type d'abus électrique le plus dangereux. La production de chaleur et de gaz sont deux caractéristiques communes à la surcharge. La chaleur provient de la chaleur ohmique et des réactions secondaires. Tout d'abord, en raison de l'insertion excessive de lithium, des dendrites de lithium se développent à la surface de l'anode. Le moment où les dendrites de lithium commencent à se développer est déterminé par le rapport stœchiométrique de la cathode et de l'anode. Deuxièmement, le détachement excessif du lithium entraîne l'effondrement de la structure de la cathode en raison de l'échauffement et de la libération d'oxygène. La libération d'oxygène accélère la décomposition des électrolytes, produisant une grande quantité de gaz. En raison de l'augmentation de la pression interne, la soupape d'échappement s'ouvre et la batterie commence à s'épuiser. Lorsque la substance active de l'élément de la batterie entre en contact avec l'air, elle subit une réaction violente et dégage une grande quantité de chaleur. La protection contre la surcharge peut être mise en œuvre sous deux aspects : la gestion de la tension et l'ajustement du matériau.

Surdécharge

Il est inévitable que la tension varie d'une batterie à l'autre à l'intérieur d'un bloc-batterie. Par conséquent, lorsque le BMS ne parvient pas à surveiller spécifiquement une cellule de batterie individuelle ayant la tension la plus basse, celle-ci sera surdéchargée. Le mécanisme de l'abus de surdécharge est différent des autres formes d'abus, et son danger potentiel peut être sous-estimé.

Lors d'une surdécharge, la batterie dont la tension est la plus basse peut être déchargée de force par d'autres batteries connectées en série. Pendant la décharge forcée, l'inversion des pôles fait que la tension de la batterie devient négative, ce qui entraîne un échauffement anormal de la batterie surdéchargée. Les ions de cuivre dissous provoqués par la surdécharge migrent à travers la membrane et forment des dendrites de cuivre avec un potentiel plus faible du côté de la cathode. Au fur et à mesure que la croissance se poursuit, les dendrites de cuivre peuvent pénétrer dans la membrane, entraînant un grave CSI.

Abus thermique

La surchauffe locale peut être une situation typique d'abus thermique qui se produit dans les blocs-batteries. L'abus thermique existe rarement de manière indépendante et se développe souvent à partir d'un abus mécanique et électrique, et est en fin de compte une cause directe de l'emballement de la chaleur. Outre la surchauffe causée par un abus mécanique/électrique, la surchauffe peut être causée par des contacts de connexion desserrés. Le problème des connexions de batterie desserrées a été confirmé. L'abus thermique est également la situation la plus couramment simulée, en utilisant des piles chauffantes contrôlées pour observer leurs réactions pendant le processus de chauffage.

Court-circuit interne

Le court-circuit interne est un contact direct entre les pôles positif et négatif de la batterie. Bien entendu, le degré de contact varie considérablement dans les réactions qui s'ensuivent. Un court-circuit interne à grande échelle est généralement causé par des abus mécaniques et thermiques qui déclenchent directement un emballement thermique. Au contraire, le court-circuit interne auto-développé est relativement bénin et génère très peu de chaleur, ce qui ne déclenchera pas immédiatement un emballement thermique.

Le taux de libération d'énergie varie en fonction du degré de rupture de la membrane et du temps qui s'écoule entre le CSI et l'emballement thermique. On pense que le CSI spontané est dû à la pollution ou à des défauts dans le processus de fabrication. Il faut des jours, voire des mois, pour que la pollution ou les défauts se transforment en CSI spontané, et les mécanismes impliqués dans le processus d'incubation à long terme sont assez complexes.

Cet article présente les résultats des recherches actuelles sur le phénomène, les causes et les stratégies de réponse à l'emballement thermique. Les caractéristiques les plus communes de toutes les conditions d'abus sont les courts-circuits internes, y compris les abus mécaniques, les abus électriques et les abus thermiques. L'emballement thermique suit le mécanisme de la réaction en chaîne, au cours de laquelle les réactions de décomposition des matériaux composant la batterie se produisent l'une après l'autre.