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A propos de la sécurité des batteries lithium-ion - Partie 1

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A propos de la sécurité des batteries lithium-ion - Partie 1

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Les batteries lithium-ion sont les batteries haute performance les plus récentes et les plus rapidement commercialisées. Les batteries lithium-ion sont actuellement largement utilisées comme nouvelles sources d'énergie dans divers domaines en raison de leurs avantages uniques. Les batteries lithium-ion présentent les caractéristiques suivantes : tension élevée, énergie spécifique élevée et bonne performance en cyclage. Elles sont de plus en plus utilisées sur le marché des 3 C, sur le marché des véhicules électriques (E V) et des véhicules électriques hybrides (HEV), dans les applications automobiles et dans la technologie spatiale. Bien que la sécurité des batteries secondaires au lithium-ion ait été considérablement améliorée par rapport aux batteries secondaires au lithium métal, il existe encore de nombreux dangers cachés, tels que l'énergie spécifique élevée des batteries et les électrolytes inflammables principalement organiques. Lorsque le taux de production de chaleur des batteries dépasse le taux de dissipation de la chaleur, des problèmes de sécurité peuvent survenir.



Selon la recherche, les batteries lithium-ion peuvent générer des températures élevées (>700 ℃) qui font fondre le collecteur en aluminium dans des conditions abusives, entraînant la fumée, l'inflammation, l'explosion et même des blessures corporelles dans la batterie. Par conséquent, pour le développement et la production de batteries lithium-ion, la sécurité des batteries ne se limite pas à l'absence de fumée, d'incendie, d'explosion et d'autres phénomènes dans diverses conditions d'essai, mais la chose la plus importante est de s'assurer que le personnel ne subit pas de dommages dans les conditions d'abus de la batterie. Cet article examine les différents facteurs qui affectent la sécurité des batteries lithium-ion du point de vue de la conception, des matériaux, de la fabrication et des conditions d'utilisation des batteries lithium-ion, et propose des mesures spécifiques pour résoudre les problèmes de sécurité.



1 L'impact de la conception des batteries sur la sécurité
La sécurité des batteries lithium-ion est déterminée par leurs propres caractéristiques :

(1) La densité énergétique de la batterie est très élevée, et en cas d'emballement thermique, la libération d'une grande quantité de chaleur peut facilement conduire à un comportement dangereux

(2) Les batteries au lithium-ion, en raison de l'utilisation de systèmes d'électrolyte organique et des solvants organiques qui sont des hydrocarbures, sont sujettes à l'oxydation à environ 4,6 V, et les solvants sont inflammables. En cas de fuite, la batterie peut s'enflammer, voire brûler et exploser

(3) La réaction de surcharge des batteries lithium-ion peut provoquer un changement dans la structure du matériau de l'électrode positive, ce qui entraîne une forte oxydation du matériau et une forte oxydation du solvant dans l'électrolyte. Cet effet est irréversible et si la chaleur générée par la réaction s'accumule, il y a un risque d'emballement thermique.



1.1 Principe de rapidité
Les piles au lithium-ion ont une grande capacité et le risque augmente de manière exponentielle avec l'augmentation de la capacité. Il est donc nécessaire de prendre en compte la compatibilité des substances actives dans la phase finale de la conception de la batterie. Au fil du cycle, la capacité de la batterie diminue progressivement et la résistance interne augmente, ce qui entraîne des changements structurels importants dans l'électrode positive par rapport à l'électrode négative ; dans le même temps, le film SEI sur la surface de l'électrode négative s'épaissit et, à la fin du cycle, du lithium et des composés de lithium se déposent. Ce sont ces changements qui entraînent une détérioration des performances conventionnelles de la batterie et une modification de son aspect au fur et à mesure que le cycle progresse.



Au fur et à mesure que le cycle progresse, l'extraction et l'insertion de lithium provoquent un changement de volume dans les particules, ce qui entraîne une tension du réseau et une détérioration de la sécurité. Souvent, les nouvelles piles peuvent passer les tests de sécurité, mais les piles en cours d'utilisation ou en fin d'utilisation ne passeront pas nécessairement à nouveau les tests de sécurité, car les substances actives telles que les électrodes positives et négatives ne correspondent pas pendant l'utilisation, et le lithium métallique précipitera dans les dernières phases d'utilisation. Le lithium métallique est exceptionnellement actif et réagit facilement avec de nombreuses substances inorganiques et organiques. Par conséquent, lors du cycle électrochimique, la surface irrégulière du lithium peut facilement entraîner un dépôt irrégulier de lithium métallique, des dendrites de lithium et des problèmes de sécurité. Pour obtenir des batteries lithium-ion fiables et sûres, la conception doit tenir compte de l'opportunité, en particulier de la sécurité de la batterie dans les dernières phases d'utilisation



1.2 Principe de fiabilité
L'environnement d'utilisation des batteries varie considérablement et les exigences d'utilisation varient d'une batterie à l'autre. Même l'environnement d'utilisation d'une même pile peut être très différent. Le plus important est de savoir comment garantir la sécurité des batteries dans des conditions de mauvaise utilisation ou d'abus. La résistance à la chaleur et la résistance aux abus des batteries lithium-ion se détériorent avec les cycles de longue durée. Pour éviter la chaleur excessive générée par les réactions physiques ou chimiques des substances constitutives dues à des apports d'énergie spécifiques dans la batterie en cas d'utilisation abusive, il convient d'adopter une conception ciblée pour les batteries ayant des structures différentes.



Pour les batteries cylindriques, la CTP est souvent utilisée comme composant de protection contre les surintensités. En raison de la présence d'un dispositif de limitation du courant (PTC) placé entre la borne positive et la bobine d'électrode à l'intérieur de la batterie, lorsque l'électrolyte se décompose et que la température de la batterie augmente rapidement pendant la surcharge, le dispositif commence à fonctionner et à couper le courant.



Pour les batteries carrées en aluminium, il n'y a pas de dispositif de limitation du courant à l'intérieur, et en raison de la souplesse et de la facilité de déformation de l'aluminium, la sécurité ne peut être assurée que par des dispositifs externes à la batterie ; la batterie lithium-ion fabriquée à partir d'un film d'emballage en aluminium-plastique, bien qu'il n'y ait pas de dispositif de limitation du courant à l'intérieur de la batterie, la conception soignée combinée à des dispositifs de sécurité externes rend la batterie plus sûre, en particulier pour l'utilisation de téléphones cellulaires. Cette structure a été largement adoptée par les fabricants de batteries polymères.



Pour les batteries lithium-ion avec des structures cylindriques et carrées en acier, la structure de la soupape d'évent supérieure avec conception de sécurité active le mécanisme de sécurité lorsqu'une grande quantité de gaz est générée à l'intérieur de la batterie. En plus de cette fonction, elle peut également réduire la température de la batterie afin d'éviter l'emballement thermique. Pour les batteries à film d'emballage en aluminium-plastique, en raison du film d'aluminium-plastique souple sur l'emballage extérieur, il n'y a pas de dispositif de protection à l'intérieur de la batterie, de sorte que les exigences de conception de la batterie sont strictes. Cependant, par rapport aux batteries à coque cylindrique en acier, en cas de mauvaise utilisation et d'abus, le gaz généré par les réactions chimiques augmentant progressivement, le film d'emballage se gonfle ou la position de soudage du film d'aluminium se gonfle et libère de la pression, ce qui garantit la sécurité de la batterie.