Emballement thermique d'une batterie de stockage d'énergie

Emballement thermique d'une batterie de stockage d'énergie

1.Causes possibles de l'emballement thermique

Les batteries de stockage d'énergie subissent généralement un emballement thermique dans des conditions d'abus, et les conditions d'abus courantes sont divisées en trois catégories : abus mécanique, abus électrique et abus thermique.

L'emballement thermique est le plus souvent dû à un abus électrique. Dans des conditions de fonctionnement abusives, les batteries lithium-ion dégagent non seulement de la chaleur de réaction, de la chaleur ohmique et de la chaleur de polarisation, mais aussi de la chaleur dégagée par des courts-circuits internes et de la chaleur dégagée par des réactions. La chaleur dégagée par les courts-circuits internes et les réactions secondaires (y compris la décomposition de la membrane SEI, la réaction de l'électrolyte des électrodes positives et négatives, la dissolution de la membrane, la décomposition de l'électrolyte) est beaucoup plus importante que la chaleur générée dans des conditions de fonctionnement normales, ce qui peut entraîner une augmentation rapide de la température de la batterie et facilement conduire à un échauffement incontrôlé

(1) Abus mécanique

La principale caractéristique de l'abus mécanique est le déplacement relatif des cellules et des modules de batterie sous l'effet de forces externes. Les principales formes pour les cellules de batterie (monomères) sont la collision, la compression et la perforation. Au niveau du module (bloc-batterie), les problèmes de vibration doivent également être pris en compte.

Dans les abus mécaniques, le plus dangereux est la perforation, où le conducteur est inséré dans le corps de la batterie, provoquant un court-circuit direct entre les pôles positif et négatif. Par rapport aux collisions, à l'écrasement et à d'autres situations où les courts-circuits internes ne se produisent qu'avec probabilité, la génération de chaleur pendant le processus de perforation est plus intense, ce qui entraîne une probabilité plus élevée d'emballement de l'échauffement

(2) Abus d'électricité

L'abus d'électricité comprend généralement plusieurs formes telles que la surcharge, la décharge excessive ou le court-circuit externe, et la surcharge est la plus susceptible de se transformer en emballement thermique. En raison du contenu énergétique élevé des piles, la surcharge est la forme la plus nocive d'abus électrique, et la production de chaleur et de gaz sont deux caractéristiques communes du processus de surcharge. La chaleur provient de la chaleur ohmique et des réactions secondaires.

Premièrement, en raison de l'insertion excessive de lithium, des dendrites de lithium se développent sur la surface de l'anode, et le rapport stœchiométrique entre la cathode et l'anode détermine le moment où les dendrites de lithium commencent à se développer. Deuxièmement, le détachement excessif du lithium entraîne l'effondrement de la structure de l'électrode positive en raison de l'échauffement et de la libération d'oxygène, ce qui accélère la décomposition de l'électrolyte et génère une grande quantité de gaz. En raison de l'augmentation de la force interne, la soupape de sécurité s'ouvre et la batterie s'ouvre. Lorsque la substance active de l'élément de batterie entre en contact avec l'air, elle réagit violemment et libère une grande quantité de gaz

(3) Abus de chaleur

L'abus de chaleur existe rarement de manière indépendante et se développe souvent à partir d'abus mécaniques et électriques, et fait finalement partie du contact avec l'emballement thermique. L'énergie locale est une situation typique d'abus thermique qui se produit dans les blocs-batteries. En plus de la surchauffe causée par les abus mécaniques et électriques, il a été confirmé que la surchauffe peut également être causée par des contacts de connexion desserrés

2.Processus d'emballement thermique

Le processus d'emballement thermique des batteries lithium-ion peut généralement être résumé comme suit : ① Décomposition du SEI ; ② L'électrode négative incorporée au lithium réagit avec l'électrolyte ; ③ Fusion de la membrane ; ④ L'électrode positive subit une réaction de décomposition ; ⑤ L'électrolyte subit une réaction de décomposition propre ; ⑥ Vaporisation et combustion de l'électrolyte.

1) Pendant la première phase de charge normale, la température de surface de la batterie est relativement basse (26-30°C). Les ions lithium se détachent normalement de l'électrode positive et s'insèrent dans l'électrode négative, ce qui entraîne une augmentation lente de la tension de la batterie. Lorsque la tension de la batterie est d'environ 3,6 V, l'électrode négative de la batterie a tendance à saturer

2) Au cours de la deuxième phase de légère surcharge, la température de surface de la batterie augmente considérablement (39-46°C). L'électrode positive perd beaucoup de lithium et l'ion lithium a tendance à saturer en s'incrustant dans l'électrode négative. Les ions lithium précipitent à la surface de l'électrode négative et ont tendance à se déposer sur les bords de l'électrode négative, plus près de l'électrode positive. Des études antérieures ont montré que les dendrites de lithium précipitées à la surface de l'électrode négative réagissent avec le liant organique de l'électrode négative.

Des études antérieures ont montré que les dendrites de lithium précipitées à la surface de l'électrode négative réagissent avec le liant organique de l'électrode négative pour générer une précipitation d'hydrogène lithium métal et une élimination importante du lithium de l'électrode positive, ce qui entraîne une augmentation continue de la tension de la batterie.

3) Dans la troisième étape, les dendrites de lithium subissent une réaction secondaire avec l'électrolyte pour générer de la chaleur, ce qui entraîne une augmentation de la température interne de la batterie. Lorsque la température dépasse 90 ℃, elle déclenche la décomposition du film SE et génère du gaz

4) Au cours de la quatrième étape, lorsque la température interne de la batterie lithium-ion atteint environ 130 ℃, le séparateur fond, ce qui provoque un large court-circuit dans la batterie et génère de la chaleur. La température élevée causée par l'accumulation de chaleur forme une rétroaction positive sur la réaction interne, générant du gaz, et la batterie commence à subir des réactions d'auto-accélération incontrôlables, ce qui entraîne une augmentation supplémentaire de la température de la batterie.

Dans la plage de 200~300 ℃, l'électrolyte lui-même subira des réactions de décomposition, produisant du gaz et conduisant finalement à des accidents d'incendie et même d'explosion. Les dommages causés par l'emballement thermique d'une seule batterie sont généralement limités, mais dans le scénario d'application des centrales de stockage d'énergie, le nombre de batteries individuelles est important et elles sont disposées de manière serrée. Lorsqu'une seule batterie subit un emballement thermique, la chaleur générée peut être transmise aux batteries environnantes, ce qui entraîne la propagation de l'emballement thermique et l'aggravation des dommages.

3.Paramètres caractéristiques de détection

1) La résistance interne de la batterie diminue avec l'augmentation de la température dans la plage de température de fonctionnement normale. Cependant, lorsque la batterie subit un emballement thermique et provoque une augmentation anormale de la température, on observe une augmentation significative de sa résistance interne. Cependant, le changement soudain de la résistance interne de la batterie peut également être influencé par d'autres facteurs, tels que des perturbations externes ou un mauvais contact causé par certaines raisons, qui peuvent également entraîner une augmentation soudaine de la résistance interne de la batterie. Par conséquent, il n'est pas possible de déterminer avec précision si une batterie a subi un emballement thermique en se basant uniquement sur les changements de résistance, et il est nécessaire de les combiner avec d'autres paramètres caractéristiques.

2) La température est un paramètre important de l'emballement thermique des batteries lithium-ion, car il existe une relation de renforcement mutuel entre la température et les réactions secondaires lorsque la batterie subit un emballement thermique, formant ainsi une rétroaction positive. De nombreux dispositifs d'alerte et systèmes de gestion des batteries sont équipés de dispositifs de détection de la température pour surveiller la température de la batterie. Lorsque la température dépasse le seuil prédéfini, un signal d'alarme est émis ou des mesures correspondantes sont prises.

Une stratégie d'alerte à trois niveaux a été proposée pour la batterie lithium-ion 18650 et le bloc-batterie : lorsque la température de la batterie dépasse 50 ℃, la capacité diminue et la température augmente lentement dans une fourchette de 50-80 ℃, 70-80 ℃ étant la température la plus lente. Par conséquent, les températures d'alerte à trois niveaux sont fixées respectivement à 50 ℃, 70 ℃ et 80 ℃. Toutefois, cette méthode de surveillance de la température de surface présente une hystérésis, car la chaleur générée en interne met un certain temps à se transmettre à la surface, et il y a également une dissipation de la chaleur pendant le processus de transmission (échange de chaleur entre la batterie et l'environnement).

3) Lorsque la batterie se trouve au début de l'emballement thermique, la concentration de ces gaz caractéristiques augmente progressivement à partir de zéro, ce qui indique un changement significatif des caractéristiques. Par conséquent, l'utilisation de capteurs de gaz correspondants pour l'alerte précoce de l'emballement thermique de la batterie est également un moyen important.