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Considérations de sécurité pour les essais de batteries au lithium

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Considérations de sécurité pour les essais de batteries au lithium

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1.Introduction

En tant que source d'énergie largement utilisée pour les appareils portables, la batterie lithium-ion présente les avantages suivants : haute densité énergétique, absence d'effets de mémoire, longue durée de vie, respect de l'environnement, etc. Après la domination des petites batteries lithium-ion dans le domaine de l'électronique grand public, les grandes batteries lithium-ion sont développées pour les applications automobiles et les réseaux électriques.

De nombreux chercheurs dans le domaine de la chimie des batteries ont étudié et analysé les raisons des défaillances des batteries dans diverses conditions d'un point de vue chimique. Sur la base de ces études, des améliorations constantes ont été apportées aux composants des batteries : divers matériaux d'anode et de cathode ont été développés pour améliorer la stabilité chimique ; un séparateur multicouche a été conçu pour limiter l'emballement thermique ; des additifs appropriés ont été introduits dans l'électrolyte pour bloquer les réactions chimiques ou pour décharger la batterie elle-même afin d'atténuer le risque de surcharge sans affecter la charge normale, etc. Les techniques de fabrication et d'assemblage ont également été améliorées pour réduire la probabilité de défaut. Les techniques de fabrication et d'assemblage ont également été améliorées pour réduire la probabilité de défaut. Cependant, les substances détaillées des composants de la batterie et la qualité de l'assemblage de la batterie, qui affectent fortement la sécurité de la batterie, restent floues pour les ingénieurs électriciens qui exploitent le système de stockage d'énergie de la batterie. Il convient donc de présenter les principes de la batterie au lithium-ion, puis d'acquérir une perspective de base sur les risques causés par la batterie au lithium-ion et sur les raisons de ces risques. Cette perspective fournira aux ingénieurs qui exploitent des BESS des moyens appropriés pour une sécurité bien réglée.

2.Test d'abus d'une cellule de batterie au lithium-ion

Dans la pratique, la défaillance d'une cellule lithium-ion est un processus global qui peut commencer par l'une des réactions exothermiques mentionnées ci-dessus et se terminer par différents dangers tels que l'expansion du corps de la batterie, la fuite d'électrolyte, l'évacuation de gaz, l'incendie, l'explosion, etc. Pour estimer le niveau de sécurité des batteries lithium-ion commerciales, des éléments de test d'abus dans les aspects mécaniques, électriques et thermiques sont conçus conformément aux normes UL et IEC. Pour les BESS lithium-ion utilisés dans les applications de réseau, les grandes batteries de type poche ou de type prismatique sont préférées. Toutes les cellules ont été entièrement chargées avant les tests d'abus conformément aux normes.

2.1 Abus thermique

Les cellules d'objectif ont été chauffées dans une chambre de température. La température ambiante de la chambre a été réglée à 130 ℃ avec un taux d'augmentation de 5℃/min. Une fois que la température ambiante de la chambre a atteint 130 ℃, elle a été maintenue pendant 10 minutes, puis les échantillons ont été observés. Sous la température, des risques potentiels ont été apportés par la défaillance SEI la fonte du séparateur et une pression de gaz accrue de l'électrolyte. Après le test, aucune fuite, aucun dégagement de gaz et aucune chute de tension n'ont été observés sur les éléments de batterie testés.

La figure 2 montre que les cellules de type prismatique et les cellules de type poche se dilatent. L'expansion du corps peut être causée par la vaporisation du clectrolyte. Le taux d'expansion du corps dans le cadre du test dépend de la quantité de solvant à faible point d'ébullition dans l'électrolyte. La quantité exacte et la proportion ne sont pas claires pour les utilisateurs. Toutefois, l'observation permet de conclure que l'échantillon de type poche illustré à la figure 2(c) présente de meilleures performances que celui de la figure 2(b), ce qui indique un niveau de sécurité plus élevé. L'échantillon de type prismatique de la figure 2 (a) présente de bonnes performances en raison de sa résistance thermique élevée due à l'épaisseur.

2.2 Pénétration des clous

Un clou de ∅5 mm a été introduit dans les échantillons à une vitesse de 20 mm/s. Il a ensuite été retiré après 1 minute. Il a ensuite été retiré après 1 minute. Dans cette condition de test, un court-circuit interne causé par le contact direct des matériaux positifs et négatifs peut se produire. La chaleur dégagée par le court-circuit interne peut entraîner des réactions de décomposition des composants de la batterie.

Pendant le test, des projections d'électrolyte et des dégagements de gaz importants ont été observés pour toutes les cellules de type prismatique. La tension mesurée et la température de surface d'un élément sont indiquées dans la figure 3(a). Les courbes montrent l'apparition d'un court-circuit interne qui a provoqué une libération de l'énergie stockée et une chute de la tension de la cellule. En outre, la température a augmenté jusqu'à 130 8 ℃ en raison de l'énergie libérée. La température de surface est ensuite retombée dans une plage relativement sûre, ce qui signifie que des réactions en chaîne exothermiques ne se sont pas produites et que l'emballement thermique a été évité après le test.

Pour les cellules de type poche, aucune élévation de température, pulvérisation d'électrolyte ou évacuation de gaz n'a été constatée pendant le test, à l'exception d'un des cinq échantillons. La figure 3 (b) présente la tension mesurée et la température de surface de la cellule problématique. Une partie de l'énergie stockée a été libérée par le court-circuit interne. Et le court-circuit interne a été interrompu par le gaz libéré de l'électrolyte, qui a expulsé le corps de la cellule et formé une couche d'isolation entre les matériaux positif et négatif et le séparateur dans la zone pénétrée.

Ce court-circuit interne incomplet n'a entraîné qu'une légère réduction de la tension de la cellule et une température de pointe de 90. la température de surface de la cellule ayant baissé, le phénomène d'emballement thermique ne s'est pas produit après le test. La protection contre l'évent de la cellule de type prismatique s'est déclenchée en raison de la pression interne élevée, comme le montre la figure 4(a). Pour la cellule de type poche, des expansions du corps ont pu être observées, comme le montre la figure 4(b). En général, les cellules de type poche présentent un niveau de sécurité plus élevé que les cellules de type prismatique.

2.3 Surcharge

Les échantillons sont surchargés avec un courant de 0,05 C. Une fois que la tension de la cellule atteint 5 V ou que le temps de charge atteint 30 min, le test se termine. 1 C est défini comme le taux de courant auquel la cellule de la batterie est complètement déchargée en 1 heure, ce qui signifie que 1 C est égal à 40 A pour une batterie d'une capacité de 40 Ah.

Pour tous les échantillons testés, aucune fuite de clectrolyte, aucun dégagement de gaz ou autre danger n'a été observé. La dilatation du corps des échantillons peut être observée après le test. D'après la tension mesurée de la cellule et les températures ambiante et de surface de la cellule indiquées à la figure 5, on peut conclure que le phénomène d'emballement thermique ne s'est pas produit.

2.4 Court-circuit externe

Un contacteur de circuit a été connecté entre les électrodes de l'échantillon et la résistance de court-circuit a été réglée à 5 mΩ. Lors des premiers essais, des incendies ont été détectés sur le câble ou le contacteur, comme le montre la figure 6. Par conséquent. Des câbles et des contacteurs avec un courant de 1 500 A ont été choisis dans l'essai ultérieur pour éviter l'incendie dans le circuit d'essai.

L'expansion du corps, la fuite d'électrolyte et l'évacuation de gaz ont été constatées pendant le test de tous les échantillons de type prismatique ainsi que de certains échantillons de type poche. Après la fermeture du contacteur du circuit d'essai, la température de la surface de la cellule a augmenté jusqu'à environ 100°C. Avec une température élevée, le corps de la cellule s'est dilaté (comme le montre la figure 7, zone A), du gaz s'est échappé de l'électrolyte (comme le montre la figure 7, zone B) et de l'électrolyte a fui (comme le montre la figure 7, zone C). Enfin, un violent dégagement de gaz avec l'électrolyte (comme le montre la figure 7, zone D) s'est produit. En raison de l'introduction précédente de l'électrolyte, le gaz évacué et l'électrolyte sont inflammables. Après environ 10 minutes, la température de surface de la cellule a commencé à baisser. Il n'y a pas eu d'incendie ou d'explosion pendant et après le test. Par conséquent, le phénomène d'emballement thermique ne s'est pas produit.

En outre, le collecteur de courant de l'électrode positive a fondu immédiatement, mettant fin au court-circuit externe. Ce phénomène a été observé dans la plupart des échantillons de type poche et dans un échantillon de type prismatique. La figure 8 montre que la fusion des échantillons de type prismatique est plus importante que celle des échantillons de type poche. Sur la figure 8, des étincelles métalliques jaillissent du collecteur de courant positif. Ces étincelles métalliques peuvent enflammer le gaz qui s'échappe ou l'électrolyte qui fuit et provoquer un incendie.