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L'importance de la sécurité des batteries Li-ion - Partie 1

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L'importance de la sécurité des batteries Li-ion - Partie 1

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Les batteries lithium-ion se distinguent des dispositifs de stockage d'énergie chimique par leur haute densité d'énergie, leur haute densité de puissance et leur longue durée de vie. Elles ont été largement utilisées dans le domaine des produits électroniques portables en raison de leur technologie mature. Avec le soutien des politiques nationales, la demande de batteries lithium-ion dans les domaines des véhicules électriques et du stockage d'énergie à grande échelle connaît également une croissance explosive.

Les batteries lithium-ion sont généralement sûres, mais des accidents de sécurité ont été signalés au public. Parmi les exemples célèbres, citons les incendies de batteries survenus ces dernières années sur les avions Boeing 737 et B 787, ainsi que les incendies survenus sur la Tesla Model S. Jusqu'à présent, la sécurité reste un facteur clé qui limite l'application des batteries lithium-ion dans les domaines de la haute énergie et de la haute puissance. L'emballement thermique n'est pas seulement la cause fondamentale des problèmes de sécurité, mais aussi l'une des lacunes qui limitent les performances des batteries lithium-ion.

Les problèmes de sécurité potentiels des batteries lithium-ion affectent grandement la confiance des consommateurs. Bien que l'on s'attende à ce que le BMS puisse surveiller avec précision les conditions de sécurité et prédire l'apparition de certains défauts, la situation de l'emballement thermique est complexe et diverse, et il est difficile pour un système technique unique de garantir toutes les conditions de sécurité rencontrées au cours de son cycle de vie. Par conséquent, l'analyse et l'étude des causes de l'emballement thermique sont toujours nécessaires pour obtenir une batterie lithium-ion sûre et fiable.

L'analyse thermique a donné lieu à de nombreuses études sur les réactions chimiques impliquées dans l'emballement thermique, et le présent article ne s'étendra pas davantage sur ce sujet. Cet article prend la ligne de vie des batteries d'énergie comme indice pour expliquer et analyser les facteurs et les solutions qui limitent la performance de sécurité d'une batterie lithium-ion pendant son cycle de vie, afin de fournir une base précieuse pour l'étude des questions de sécurité.

1 Matériau des cellules de batterie

La composition interne des batteries lithium-ion comprend principalement l'électrode positive, l'électrolyte, le séparateur et l'électrode négative. Sur cette base, les oreilles des électrodes sont soudées et l'emballage extérieur est enveloppé pour former une cellule de batterie complète. Après les étapes initiales de charge et de décharge, de formation et de séparation de la capacité de la cellule de batterie, celle-ci peut être utilisée à l'usine. La première étape de ce processus est la sélection des matériaux. Les principaux facteurs affectant la sécurité des matériaux sont leur énergie orbitale intrinsèque, leur structure cristalline et leurs propriétés matérielles

1.1 Matériau de l'électrode positive

Le rôle principal des matériaux actifs de l'électrode positive dans les batteries est de contribuer à la capacité spécifique et à l'énergie spécifique, et leur potentiel d'électrode intrinsèque a un certain impact sur la sécurité. Ces dernières années, le phosphate de fer lithié, un matériau à moyenne et basse tension, a été largement utilisé comme matériau d'électrode positive pour les batteries d'alimentation des véhicules de transport (tels que les véhicules électriques hybrides (HEVS) et les véhicules électriques EVS) et les dispositifs de stockage d'énergie (tels que les systèmes d'alimentation sans coupure (UPS)) dans le monde entier.

Cependant, l'avantage en matière de sécurité démontré par le phosphate de fer lithié dans de nombreux matériaux est en fait au prix d'un sacrifice de la densité énergétique, ce qui limite l'endurance de ses utilisateurs (tels que les véhicules électriques hybrides, les onduleurs). Bien que les matériaux ternaires présentent une excellente densité énergétique et constituent des matériaux d'électrode positive idéaux pour les batteries d'énergie, les problèmes de sécurité qu'ils posent n'ont pas encore été entièrement résolus.

Afin d'étudier le comportement thermique des matériaux d'électrode positive, les chercheurs ont effectué de nombreux travaux et ont découvert que le potentiel intrinsèque de l'électrode et la structure cristalline sont les principaux facteurs affectant leur sécurité. Par exemple, la correspondance parfaite entre le potentiel du matériau d'électrode positive et l'orbitale moléculaire la plus élevée occupée par l'HOMO de l'électrolyte affecte directement la stabilité de l'électrolyte ;

La température de départ et le dégagement de chaleur des réactions entre différents matériaux d'électrodes positives et électrolytes peuvent varier selon que plusieurs ions lithium peuvent passer simultanément et en douceur à travers le réseau. En sélectionnant les types de matériaux et le dopage des éléments, en choisissant des matériaux qui correspondent au potentiel et à la fenêtre électrochimique de l'électrolyte, qui ont des températures de réaction initiales plus élevées et un dégagement de chaleur de réaction plus faible, les performances de sécurité de la cellule de batterie peuvent être améliorées du point de vue des matériaux actifs de l'électrode positive.

1.2 Matériaux d'électrode négative

L'impact des matériaux actifs de l'électrode négative sur les performances de sécurité provient principalement de leur énergie orbitale intrinsèque et de leur relation avec la configuration de l'électrolyte. Au cours du processus de charge rapide, la vitesse de passage des ions lithium à travers le film SEI peut être plus lente que la vitesse de dépôt du lithium sur l'électrode négative. Les dendrites de lithium continueront à croître avec les cycles de charge et de décharge, ce qui peut provoquer des courts-circuits internes et enflammer les électrolytes combustibles, entraînant un emballement thermique. Cette caractéristique limite la sécurité de l'électrode négative pendant le processus de charge rapide.

Outre la croissance des dendrites de lithium, la réaction entre le matériau de l'électrode négative et l'électrolyte est également un facteur important affectant les performances de sécurité. À environ 100 ℃, des pics exothermiques de graphite et d'électrolyte enrobés de lithium peuvent être observés, ce qui est également considéré comme une réaction de décomposition du film SEI. La vitesse de réaction augmente avec la surface spécifique du matériau de l'électrode négative.

Après la décomposition du film SEI, le lithium incorporé dans l'électrode négative continue à réagir avec l'électrolyte et le liant pour dégager de la chaleur, et la chaleur de réaction augmente avec la quantité de lithium inséré. En améliorant la stabilité thermique du SEI, en réduisant la surface spécifique des matériaux d'électrode négative et en réduisant la quantité de lithium incorporé, les performances de la cellule de batterie peuvent également être améliorées du point de vue des matériaux d'électrode négative.

1.3 Électrolytes et membranes

L'impact des électrolytes et des séparateurs sur la sécurité est principalement dû à leurs caractéristiques. Bien que la stabilité thermique des sels de lithium soit un facteur fondamental affectant la stabilité thermique des électrolytes, leur impact sur les performances de sécurité des batteries est limité en raison de la chaleur relativement faible de leur réaction de décomposition. L'inflammabilité et l'état liquide des électrolytes commerciaux largement utilisés sont des facteurs importants pour la sécurité.

En outre, l'utilisation d'électrolytes avec des fenêtres électrochimiques plus larges (en particulier des LUMO plus élevés) et l'ajout de matériaux ignifuges à l'électrolyte, tels que la modification de liquides ioniques mixtes et d'électrolytes liquides organiques en électrolytes ininflammables, sont des moyens efficaces d'améliorer la sécurité. La résistance mécanique (résistance à la traction et à la perforation), la porosité, l'uniformité de l'épaisseur et la température de rupture de la membrane sont des facteurs importants qui déterminent sa sécurité.

L'application de revêtements céramiques sur les membranes peut augmenter la résistance mécanique de la membrane d'origine, ce qui permet à la membrane de présenter d'excellentes performances en matière de résistance aux températures élevées, de résistance à la perforation et de réduction de l'épaisseur. La température à laquelle la structure microporeuse est fermée, qu'elle soit trop élevée ou trop basse, peut affecter les performances de la cellule de la batterie. Il est donc nécessaire de prendre en compte la composition du polymère de la membrane et la configuration optimale de la structure poreuse, tout en veillant à ce que la température de rupture soit supérieure à la température d'interruption.