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Test de vieillissement à haute température des piles au lithium

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Test de vieillissement à haute température des piles au lithium

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1 Contexte de la recherche

Afin de répondre efficacement aux changements défavorables de l'environnement et du climat, de réduire les émissions de gaz à effet de serre et d'atteindre le plus rapidement possible les objectifs de pic et de neutralité en matière de carbone, la structure énergétique se transforme rapidement. L'électrification des automobiles joue un rôle crucial dans cette révolution énergétique. Les batteries de puissance sont les principaux supports de stockage d'énergie pour les véhicules électriques, largement utilisés pour leurs avantages en termes de haute énergie et de longue durée de vie. Cependant, dans les applications réelles des véhicules, l'état interne de la batterie change, ce qui entraîne une baisse des performances de la batterie et une modification de sa fenêtre de fonctionnement sûre.

Les conditions d'utilisation, en particulier la température, ont un impact significatif sur la sécurité thermique des batteries. Actuellement, les températures estivales élevées posent un sérieux problème pour l'utilisation sûre des batteries. Les véhicules électriques exposés à un soleil brûlant subissent des températures de batterie extrêmement élevées pendant la charge, ce qui a un impact sérieux sur la sécurité d'utilisation des batteries. Ce travail explore l'évolution de la sécurité thermique des batteries lithium-ion ternaires à haute teneur en nickel largement utilisées dans des conditions d'utilisation à haute température, révélant la loi d'évolution de la sécurité thermique des batteries lithium-ion.

2 Contenu de la recherche

Une étude a été menée sur la sécurité thermique des batteries lithium-ion NMC631 soft pack pendant le vieillissement à haute température. Un test de génération de chaleur de décharge adiabatique, un test d'emballement thermique adiabatique et un test de surcharge adiabatique ont été réalisés lorsque le SOH de la batterie s'est dégradé à 100 %, 90 % et 80 %, respectivement. L'impact du vieillissement à haute température sur les performances de sécurité thermique de la batterie a été analysé sous plusieurs angles.

3 Résultats de la recherche

(1) Performance électronique et chimique

Au cours du processus de vieillissement à haute température, la batterie présente un schéma de décroissance approximativement linéaire dans les premiers stades du vieillissement. Mais au fur et à mesure que le nombre de cycles augmente, le SOH de la batterie accélère sa décroissance. Parallèlement, le spectre d'impédance de la batterie subit également des changements significatifs avec le vieillissement. Au fur et à mesure que le degré de vieillissement s'accentue, le spectre d'impédance se déplace progressivement vers la droite et l'impédance ohmique augmente progressivement.

En outre, en raison de l'apparition continue de réactions secondaires à l'interface électrode-électrolyte pendant le processus de vieillissement à haute température, l'impédance du masque facial et l'impédance de transfert de charge de l'interface de la batterie ont également augmenté rapidement, ce qui s'est traduit par une augmentation significative entre les arcs des parties à moyenne et à haute fréquence. En outre, avec la dissolution des métaux de transition et les changements dans la structure de la cathode, la diffusion des ions lithium à l'intérieur de l'électrode devient difficile, et l'impédance de Weber augmente également de manière significative.

(2) Caractéristiques de la production de chaleur par décharge adiabatique

Au cours du processus de vieillissement à haute température, la dégradation interne de la batterie se produit continuellement, comme la décomposition continue de l'électrolyte et l'épaississement du film SEI. Ces dégradations provoquent une augmentation continue de l'impédance de la batterie, ce qui entraîne une modification du taux d'augmentation de la température pendant la décharge adiabatique de la batterie.

En raison de la légère dégradation à l'intérieur de la batterie au cours de la première phase de vieillissement à haute température, le taux d'augmentation de la température de la batterie ne change pas de manière significative tout au long du processus de décharge. À ce stade, la capacité joue un rôle majeur, et la diminution de la capacité entraîne une diminution de l'augmentation de la température tout au long du processus de décharge. Après un vieillissement profond de la batterie, une dégradation sévère se produit à l'intérieur de la batterie, entraînant une augmentation significative de la vitesse d'élévation de la température au cours de la décharge adiabatique.

À ce stade, la vitesse d'élévation de la température joue un rôle majeur : bien que la capacité de la batterie diminue, l'élévation globale de la température augmente de manière significative. Par conséquent, à mesure que la capacité de la batterie diminue, l'augmentation de la température de la batterie pendant la décharge adiabatique montre une tendance d'abord à la baisse, puis à l'augmentation.

(3) Caractéristiques de l'emballement thermique adiabatique

Les températures caractéristiques de l'emballement thermique de la batterie comprennent la température de départ de la chaleur auto-générée T1, la température de déclenchement de l'emballement thermique T2 et la température la plus élevée T3. Au fur et à mesure que le degré de vieillissement de la batterie s'accentue, T1 et T2 diminuent continuellement, ce qui indique que le vieillissement à haute température réduit la stabilité thermique de la batterie. La diminution de T1 est principalement due à la température élevée qui modifie la composition de la membrane SEI, ce qui entraîne une diminution de sa stabilité thermique ;

Et T2 est principalement due à la diminution de la stabilité thermique des systèmes de réaction de l'anode et de la cathode. En outre, une analyse d'ajustement de l'énergie d'activation a été menée sur l'étape T1-T2, et les résultats de l'ajustement ont montré que l'énergie d'activation de la batterie diminuait de manière significative avec le vieillissement dans cette plage de température, ce qui indique que le vieillissement à haute température a conduit à la détérioration de la stabilité thermique de la batterie.

En outre, à mesure que le degré de vieillissement s'accentue, la température maximale et le taux d'augmentation de la température maximale de l'emballement thermique de la batterie diminuent. La courbe de la vitesse d'augmentation de la température présente un plateau exothermique. Au fur et à mesure que le vieillissement s'accentue, la durée du plateau exothermique se réduit progressivement. Ces phénomènes indiquent que le risque d'emballement thermique diminue progressivement avec le vieillissement de la batterie. Ceci est principalement attribué à la consommation continue de substances actives à l'intérieur de la batterie pendant le processus de vieillissement à haute température, comme la perte de lithium actif et la consommation d'électrolyte.

Cela réduit la participation à des réactions chimiques violentes pendant le processus d'emballement thermique grave, ce qui entraîne une diminution de l'énergie libérée, une diminution de l'intensité de la réaction, une diminution de la température maximale et de la vitesse maximale d'augmentation de la température, ainsi qu'une réduction de la durée de la plate-forme de dégagement de chaleur.

(4) Caractéristiques d'emballement thermique de la surcharge adiabatique

Pour le processus d'emballement thermique dû à la surcharge, la chaleur générée par les piles âgées au cours de ce processus est inférieure à celle des piles neuves. Pour la chaleur totale générée par la surcharge et l'emballement, la chaleur de la réaction chimique et la chaleur du court-circuit interne sont les principales sources de chaleur. Au fur et à mesure que le vieillissement progresse, cette partie de la chaleur diminue. En raison de l'augmentation de l'impédance de la batterie pendant le vieillissement à haute température, le temps nécessaire pour passer de la surcharge à l'emballement est similaire.

Par conséquent, on peut constater que la chaleur ohmique et la chaleur réversible des batteries vieillies sont supérieures à celles des batteries neuves. Pour le déclenchement de l'emballement thermique des batteries vieillissantes, moins d'énergie est nécessaire, donc moins de chaleur de réaction latérale est nécessaire au cours de ce processus. Par conséquent, au fur et à mesure que la batterie vieillit, le taux de contribution de la chaleur de réaction latérale diminue en raison du déclenchement de l'emballement thermique.