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Test de stabilité thermique des batteries au lithium - Partie 2

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Test de stabilité thermique des batteries au lithium - Partie 2

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2.1 Phénomène de combustion

Lorsqu'il est chauffé par le bas, le processus de combustion typique des batteries lithium-ion peut être grossièrement divisé en six étapes, en fonction de la gravité de la combustion.

(1) Phase de chauffage. Après que le four de chauffage ait continuellement chauffé l'électrode négative de la batterie au lithium pendant un certain temps, de la fumée se forme progressivement à la surface de la batterie, dont une partie provient de l'endommagement de l'électrode positive de la cellule de la batterie au lithium. En effet, on peut voir le capuchon de l'électrode positive de l'élément de batterie emporté par la pression de l'air sur le site expérimental ou dans la vidéo. Cela indique qu'une réaction violente s'est produite à l'intérieur de la batterie en raison d'un chauffage continu, produisant une grande quantité de gaz, suivie d'une petite quantité d'électrolyte émergeant de l'électrode positive de la batterie, comme le montre l'illustration (a).

(2) Phase d'incendie. Au cours de l'expérience, il a été observé que la batterie produit une grande quantité de fumée avant l'allumage, qui contient de nombreux combustibles, y compris ceux générés par la réaction interne de la batterie, ainsi que ceux générés par la décomposition thermique du matériau d'emballage du bloc-batterie. Une fois que la chaleur s'est accumulée jusqu'à un certain point, l'allumage se produit, comme le montre l'illustration (b).

(3) La phase d'allumage. Pour la condition expérimentale de chauffage par le bas, la partie centrale de la batterie au lithium reçoit la chaleur la plus concentrée, comme le montre la boîte en pointillés rouges de la figure 4 (a). Par conséquent, la partie centrale de la batterie commence à s'enflammer sur une grande surface, puis se propage aux zones environnantes. Le matériau à l'intérieur de la cellule de la batterie est également pulvérisé, comme le montre la figure (c).

(4) Phase de pulvérisation. Une fois que la surface de la batterie au lithium a pris feu, la température augmente brusquement, ce qui provoque l'ouverture des soupapes de sécurité des éléments de la batterie, une à une, puis la projection de gaz combustible vers l'extérieur, comme le montre l'illustration (d), accompagnée d'éclaboussures d'électrolyte partout, comme le montre l'illustration (e). À ce stade, une combustion intense et de violents bruits d'explosion constituent un phénomène évident. Les éléments de la batterie éclaboussent également partout sous l'effet de la pression interne, ce qui rend difficile la collecte des variations de température pendant l'essai. Le couple thermique mis en place avant le test est facilement endommagé ou déplacé par cette explosion, et ne peut pas garantir la mesure en temps réel des changements de température au même endroit.

(5) La phase de combustion globale. Lorsque les soupapes de sécurité de la plupart des piles au lithium sont ouvertes, l'ensemble des piles au lithium entre dans la phase de combustion globale, où la hauteur de la flamme est plus élevée et le volume de la flamme plus important, comme le montre l'illustration (f).

(6) Phase d'atténuation. Une fois que les matériaux combustibles à l'intérieur de la batterie sont progressivement consumés, le feu s'éteint.

Lorsque la batterie au lithium est chauffée par le côté, le processus de combustion est illustré sur la figure, et l'ensemble de l'étape de combustion est à peu près similaire à la condition de chauffage par le bas, y compris l'allumage, l'allumage, l'injection et d'autres processus. Du point de vue du délai d'allumage, à l'exception d'une réduction significative du délai d'allumage dans le test 2, les deux méthodes de chauffage présentées dans cet article n'ont pas d'impact significatif sur le délai d'allumage. Cependant, après avoir doublé la puissance, de 1 kW à 2 kW, par exemple, par rapport à l'essai 3 et à l'essai 1, et à l'essai 5 et à l'essai 4, dans la même position de chauffage, une augmentation de la puissance raccourcira considérablement le délai d'allumage.

Comme le montre l'illustration (a), le côté de la batterie au lithium est chauffé par une source de chaleur externe. Au bout d'un certain temps, la batterie la plus proche de la source de chaleur s'enflamme en premier, comme le montre l'illustration (b), puis brûle et se propage de droite à gauche.

La soupape de sécurité de l'élément de batterie proche de la flamme à haute température est ouverte, ce qui produit de la fumée blanche, comme le montre l'illustration (c), accompagnée d'un phénomène de projection d'étincelles, comme le montre l'illustration (d), ce qui indique que l'électrolyte à l'intérieur de l'élément de batterie est projeté à l'extérieur. La flamme à la surface de la batterie s'éteint progressivement au cours du processus de propagation, tandis que la batterie non enflammée subit toujours des réactions intenses à l'intérieur.

À ce moment-là, une grande quantité de fumée blanche peut être observée, comme le montre l'illustration (f), qui est le gaz produit par la réaction interne de la cellule de la batterie. En présence de températures élevées, d'étincelles ou d'une énergie d'allumage similaire, la batterie se rallume, comme le montre l'illustration (g), jusqu'à ce que la flamme soit complètement éteinte. Les résultats des tests montrent que lorsque le côté de la batterie au lithium surchauffe, l'intensité de la combustion de la batterie diminue progressivement avec l'augmentation de la distance, et qu'un rallumage intermittent se produit à plusieurs reprises.

Les éléments de la batterie au lithium sont connectés en série et en parallèle pour former un bloc-batterie pendant l'utilisation, et chaque élément de la batterie est géré intelligemment par un système de gestion de la batterie (BMS). Après avoir été enflammé par une source de chaleur externe, le bloc-batterie subit une combustion explosive et intense. Sous l'effet de la pression générée par les réactions internes, certains éléments de la batterie se détachent du bloc-batterie, éclaboussent tout le monde et le matériau du diaphragme interne déborde.

Grâce à la conception de la soupape de sécurité de l'électrode positive de l'élément de batterie, lorsque du gaz est généré par des réactions chimiques internes, la pression s'échappe par la soupape de sécurité, ce qui réduit le risque d'endommagement de la paroi externe de l'élément de batterie causé par la pression interne.

Dans le cas d'une batterie au lithium, si l'une des batteries subit un emballement thermique ou prend feu en raison de facteurs externes, les éléments de batterie au lithium environnants seront soumis au transfert de chaleur de la paroi, ou les résidus à haute température pulvérisés brûleront, ou le rayonnement thermique généré par une flamme nue enflammera les éléments de batterie environnants, élargissant encore la zone d'inflammation sans étendre instantanément l'incendie dû à l'explosion de la paroi. Cela indique que, par rapport au côté d'une batterie au lithium, sa partie inférieure (électrode négative) doit être mieux protégée contre le feu.

Le processus de propagation de la combustion des batteries au lithium dans des conditions de surchauffe change d'abord avec la température de la batterie. En mesurant les changements et la distribution de la température interne de la batterie, il est possible d'analyser quantitativement le comportement au feu des batteries au lithium. Cette analyse est d'une grande importance pour mieux contrôler l'incendie et développer de nouvelles technologies efficaces d'extinction des incendies.

2.2 Distribution de la température

Variation de la température interne d'une batterie au lithium lorsqu'elle est chauffée par le bas. Les changements dans la courbe de l'historique de la température permettent d'observer trois stades différents de l'évolution de l'emballement thermique de la batterie, ce qui est cohérent avec les résultats obtenus à partir de l'analyse des phénomènes de combustion dans la section précédente.

Pendant la phase de chauffage, la température augmente lentement, et on peut voir que la température de T 1 augmente plus rapidement que les autres. Sa position mesurée se situe juste dans la zone centrale du bloc-batterie, là où il reçoit le plus de chaleur. Après l'ouverture de la soupape de sécurité positive de l'élément de batterie, une fumée blanche se dégage, indiquant qu'une réaction violente se produit à l'intérieur de l'élément de batterie, produisant du gaz.

Comme la température continue d'augmenter, le gaz combustible produit déclenche l'inflammation de l'élément de batterie. À ce moment-là, la courbe de température présente un point d'inflexion marqué vers le haut. Au moment de l'allumage, la température de T 1 est d'environ 139 ℃, et en même temps, la température de la position T 3 augmente immédiatement, ce qui est dû à la propagation des flammes. Par rapport aux positions T 2 et T 3, la distance en ligne droite entre T 4 et T 1 est la plus grande. Calculé sur la base de la taille maximale de l'élément de batterie, l'intervalle entre T 4 et T 1 est d'environ 99 mm, la différence de temps d'allumage est de 89 s et la vitesse de propagation de la combustion est d'environ 1,1 mm/s.

Une fois qu'un bloc-batterie au lithium a pris feu, il subit des phénomènes tels que la pulvérisation et l'explosion, au cours desquels la température continue d'augmenter et entre finalement dans la phase de combustion globale. La température maximale de combustion de la batterie dépasse 700 ℃.

Lorsque le côté de la batterie au lithium est chauffé, la position de mesure du couple thermique a été ajustée, de près à loin par rapport à la position de la source de chaleur par rayonnement, et la courbe typique de l'évolution de la température mesurée lors de l'expérience a été ajustée.

Par rapport à la condition de chauffage par le bas, il existe des différences significatives dans la distribution de la température lorsque le côté de la batterie au lithium est chauffé. Bien qu'il y ait plusieurs pics de température, ce qui signifie qu'il s'agit d'un état de combustion à flamme nue à ce moment-là, la distribution des pics de température dans le cas du chauffage par le bas s'étend sur une plus longue période de temps. Cela s'explique principalement par le fait que les conditions de chauffage du bloc-piles au lithium sont différentes dans les deux conditions de travail.

Lorsque le fond est chauffé, l'électrode négative de la cellule de la batterie au lithium est continuellement chauffée, et les cellules de la batterie les plus directement chauffées accélèrent les réactions chimiques dans une période de temps plus concentrée. Après avoir perdu le contrôle de la chaleur, elles s'enflamment et finissent par présenter un phénomène de combustion globale. Cependant, lorsque la batterie est chauffée sur le côté, la position la plus éloignée de la source de chaleur, telle que T 4, recevra moins de chaleur, et la température n'augmentera pas de manière significative jusqu'à la fin de la combustion, principalement parce que lorsque la batterie est chauffée sur le côté, elle présente un schéma de propagation de la combustion de droite à gauche, et il y aura des phénomènes d'extinction et de rallumage au milieu. Sans chauffage externe continu, cette forme de combustion est difficile à réaliser.

En outre, on peut observer que la température d'allumage à T 1 pendant l'allumage est d'environ 90 ℃, ce qui est plus faible que lorsque l'électrode négative inférieure est chauffée, et que la température la plus élevée après l'allumage est également d'environ 550 ℃, ce qui est nettement plus faible que lorsque l'électrode inférieure est chauffée. Les résultats de l'analyse de la température ci-dessus indiquent que, par rapport au chauffage latéral, l'électrode négative du bas de la batterie au lithium subit une combustion plus grave due à l'emballement thermique lorsqu'elle est chauffée, ce qui se manifeste spécifiquement par une zone de propagation de la combustion plus importante et une température de flamme plus élevée.

Les changements de température dans la condition de travail 3, par rapport à la condition de travail 1, sont tous dus au chauffage par le bas, la différence étant que la puissance de chauffage est passée à 2 kW. En même temps, au milieu de la combustion, le brouillard d'eau est activé pour éteindre le feu et tester sa capacité d'extinction et de refroidissement. On peut observer qu'à mesure que la puissance de chauffe augmente, le délai d'allumage s'allonge. La raison en est évidente. Plus la chaleur externe reçue est élevée, plus la réaction chimique à l'intérieur de la cellule de la batterie est intense, et l'emballement thermique entraîne un délai d'allumage plus court.

Cependant, pendant l'allumage, il n'y avait pas de différence significative de température entre T 1 et les conditions de fonctionnement à plus faible puissance, mais plutôt entre 120 et 139 ℃. En outre, les températures aux positions T 2, T 3 et T 4 dans la condition de fonctionnement 3 sont inférieures à celles obtenues avec une puissance de chauffage de 1 kW. Cela peut indiquer que sous l'influence de la chaleur de rayonnement externe, le bloc-piles au lithium ne s'enflamme et ne brûle que lorsque la température augmente jusqu'à une plage spécifique.

Il convient de souligner que les températures d'inflammation répertoriées dans le tableau 2 peuvent ne pas correspondre à la température d'inflammation minimale obtenue en raison du nombre limité de points de collecte. Toutefois, cela peut dans une certaine mesure démontrer la nécessité de surveiller en temps réel les changements de température pour chaque élément de la batterie par le biais d'un système de gestion de la batterie. En fixant un seuil de température, dès que l'augmentation de la température locale de la batterie au lithium dépasse cette valeur, des mesures d'avertissement et de prévention sont déclenchées pour éviter que l'ensemble de la batterie ne prenne feu en raison d'un emballement thermique.

La durée totale de la combustion est de 218 s, du début de l'allumage à t=780 s au début du brouillard d'eau à t=998 s. Après l'allumage du brouillard d'eau pour éteindre l'incendie, la température à T 3 et T 4 chute rapidement. Après une pulvérisation continue pendant 30 secondes, la température tombe en dessous de 100 ℃. Après l'arrêt de la pulvérisation, aucune recombustion ne se produit. Les résultats expérimentaux montrent que le brouillard d'eau peut efficacement éteindre l'incendie et le refroidir, et empêcher la reprise de la combustion.

Comparé à l'extinction des incendies par le gaz, le brouillard d'eau peut être un bon moyen d'extinction capable de refroidir en continu les batteries lithium-ion en feu. Toutefois, il convient également de noter que dans les applications pratiques, les taches d'eau générées par le brouillard d'eau peuvent causer des dommages importants à l'équipement et des dommages secondaires. En outre, le brouillard d'eau avec un grand diamètre de gouttelettes peut également provoquer des courts-circuits ou une décharge de la batterie, exacerbant l'emballement thermique et augmentant l'ampleur des incendies. Les données expérimentales constituent la base de ces applications spécifiques. Il est donc indispensable de poursuivre les expériences d'extinction d'incendie à plus grande échelle, notamment en grandeur réelle, afin d'étudier les caractéristiques de combustion des batteries au lithium et de tester l'efficacité des différentes méthodes d'extinction d'incendie.

3 Conclusion

Cet article effectue des tests de combustion sur des packs de batteries lithium-ion 18650 ternaires induits par le chauffage, et les conclusions suivantes ont été tirées.

(1) Comparé à la surchauffe latérale, lorsque l'électrode négative du fond d'une batterie au lithium surchauffe, le degré de combustion est plus sévère, et la batterie se pulvérise et brûle continuellement. En cas de surchauffe latérale, l'intensité de la combustion dans les batteries au lithium diminue avec l'augmentation de la distance par rapport à la source de chaleur, et de multiples phénomènes de rallumage intermittent se produisent. En outre, une augmentation de la puissance de la source de chaleur raccourcira le délai d'allumage des batteries au lithium et augmentera l'intensité de leur combustion.

(2) Les résultats des essais montrent que la température d'emballement thermique de l'électrode négative inférieure de la batterie ternaire au lithium se situe entre 120 et 139 ℃ en cas de surchauffe. Dans ces conditions, la température de combustion maximale augmentera avec l'augmentation de la puissance de la source de chaleur, et la température maximale peut atteindre 800 ℃.

(3) L'application d'un brouillard d'eau pure sur la batterie au lithium en feu permet d'étouffer efficacement l'incendie et de réduire la température. La pulvérisation continue peut réduire la température de la batterie en dessous de la température critique sans rallumer. Cela indique que le brouillard d'eau peut être une méthode d'extinction efficace pour les incendies de batteries au lithium-ion, mais son application peut entraîner des dommages secondaires tels que la pollution de l'eau et la décharge de court-circuit, ce qui nécessite une sélection minutieuse en fonction des besoins d'extinction des incendies.