A propos de la sécurité des batteries lithium-ion - Partie 2

A propos de la sécurité des batteries lithium-ion - Partie 2

3 L'impact des matériaux

D'une manière générale, la stabilité thermique des matériaux des batteries est un facteur important pour la sécurité des batteries lithium-ion. Ceci est principalement lié à l'activité thermique des matériaux de la batterie. Lorsque la température de la batterie augmente, de nombreuses réactions exothermiques se produisent à l'intérieur de la batterie. Si la chaleur générée dépasse la perte de chaleur, un effondrement thermique se produit. Les principales réactions exothermiques entre les matériaux de la batterie lithium-ion comprennent : la décomposition du film SEI ; la décomposition de l'électrolyte ; la décomposition de l'électrode positive ; la réaction entre l'électrode négative et l'électrolyte ; la réaction entre l'électrode négative et l'adhésif ; En outre, en raison de la présence d'une résistance dans la batterie, une petite quantité de chaleur est générée pendant l'utilisation.

3.1 Matériau de l'électrode positive

Le matériau de l'électrode positive des batteries lithium-ion a toujours été le principal facteur limitant le développement des batteries lithium-ion. Par rapport aux matériaux d'électrode négative, les matériaux d'électrode positive ont une densité d'énergie et une densité de puissance plus faibles, et sont également la principale cause des risques de sécurité dans les batteries lithium-ion. La structure des matériaux d'électrodes positives et négatives a un impact décisif sur l'insertion et l'élimination des ions lithium, affectant ainsi la durée de vie des batteries. L'utilisation de matériaux actifs facilement amovibles entraîne des changements structurels minimes et réversibles au cours des cycles de charge et de décharge, ce qui est bénéfique pour l'allongement de la durée de vie des batteries.

Dans les conditions d'utilisation abusive des batteries lithium-ion, lorsque la température interne de la batterie augmente, l'électrode positive subit une décomposition de la substance active et une oxydation de l'électrolyte. Ces deux réactions génèrent une grande quantité de chaleur, ce qui entraîne une nouvelle augmentation de la température de la batterie. Dans le même temps, les différents états de délithiation ont des effets significatifs sur la transformation du réseau de la substance active, la température de décomposition et la stabilité thermique de la batterie. Trouver des matériaux d'électrode positive présentant une bonne stabilité thermique est la clé des batteries lithium-ion.

3.2 Matériaux d'électrode négative

Le premier matériau d'électrode négative utilisé était le lithium métallique, et les batteries assemblées avec du lithium métallique comme électrode négative sont sujettes à la formation de dendrites de lithium au cours des multiples processus de charge et de décharge. Les dendrites de lithium peuvent percer le séparateur, provoquant des courts-circuits, des fuites et même des explosions. L'utilisation de composés d'intercalation du lithium permet d'éviter la formation de dendrites de lithium, ce qui améliore considérablement la sécurité des batteries lithium-ion.

Récemment, trois types de carbone présentent une valeur significative et des perspectives d'application dans les batteries secondaires lithium-ion : le carbone hautement graphitisé, le carbone mou et dur, et les nanomatériaux de carbone. Actuellement, la plupart des matériaux d'électrodes négatives utilisés dans les batteries lithium-ion utilisent du graphite, et la capacité spécifique théorique appropriée du graphite n'est que de 372 mAh/g, et la capacité spécifique volumique n'est que de 800 mAh/cm3. Bien que le carbone de pyrolyse médicale actuellement développé ait une capacité spécifique de 700 mAh/g, sa capacité spécifique en volume est encore très limitée.

En raison de la nécessité d'une puissance élevée et d'une densité énergétique élevée, les métaux et les composés métalliques ont suscité une grande attention, et la recherche se concentre principalement sur le développement de petites particules (à l'échelle nanométrique), de matériaux monophasés à multiphasés et de matériaux inactifs dopés. Les électrodes négatives en métal et en alliage subissent d'importantes variations de volume au cours du cycle, ce qui se traduit par une courte durée de vie. Pour prolonger la durée de vie, des méthodes approximatives en métallurgie sont utilisées pour développer et contrôler la composition et la microstructure des matériaux d'alliage. Des recherches récentes sur les techniques de traitement de surface et à l'échelle nanométrique ont montré qu'à mesure que la température augmente, les électrodes négatives en carbone noyées dans le lithium subissent d'abord des réactions exothermiques avec l'électrolyte.

Dans les mêmes conditions de charge et de décharge, le taux de réaction exothermique entre l'électrolyte et le graphite artificiel enrobé de lithium est beaucoup plus élevé que celui du MCMB enrobé de lithium, de la fibre de carbone, du coke, etc. L'espacement entre les couches de carbone des matériaux en carbone dur et des matériaux en graphite en carbone mou est d'environ 0,38 nm, 0,34-0,35 nm et 0,335 m, respectivement. Lorsque le lithium est incorporé dans la couche de carbone, l'espacement entre les couches est d'environ 0,37 nm. Les matériaux en graphite présentent le plus petit espacement entre les couches et la plus grande déformation pendant le processus d'insertion et d'extraction des batteries lithium-ion. La vitesse de diffusion des ions lithium dans ce type de couche de carbone est également lente. Lors de la charge et de la décharge à des courants élevés, la polarisation est importante et la résistance est élevée, ce qui nuit à la sécurité de la batterie. Les matériaux à base de carbone dur, en revanche, ont l'effet inverse.

Cependant, certaines personnes pensent également que l'augmentation du degré de graphitisation peut réduire la performance d'activation de la diffusion des ions lithium, ce qui est favorable à la diffusion des ions lithium. Toutefois, en raison de la présence d'un grand nombre de vides, les matériaux à base de carbone dur se comportent de la même manière que les électrodes négatives métalliques au lithium lors de la charge et de la décharge à courant élevé, et leur sécurité n'est pas bonne. Dans l'exploration de nouveaux matériaux, les nitrures de métaux de transition lithiés et les phosphates de métaux de transition sont de bons exemples. La poursuite de la recherche sur ces matériaux pourrait insuffler une nouvelle vitalité au développement de matériaux d'électrodes négatives pour les batteries lithium-ion.

3.3 Diaphragme et électrolyte

Le diaphragme lui-même n'est pas un bon conducteur d'électrons, mais il laisse également passer les ions de l'électrolyte. En outre, le matériau séparateur doit également présenter une bonne stabilité chimique et électrochimique et de bonnes propriétés mécaniques, et maintenir une mouillabilité élevée de l'électrolyte au cours des processus de charge et de décharge répétés. La compatibilité de l'interface entre le matériau séparateur et l'électrode, ainsi que la rétention de l'électrolyte par le séparateur, ont un impact significatif sur les performances de charge et de décharge, les performances de cyclage et d'autres aspects des batteries lithium-ion.

L'électrolyte joue un rôle dans le transport du Li+ entre les électrodes positives et négatives des batteries lithium-ion, et la compatibilité entre l'électrolyte et l'électrode affecte directement les performances de la batterie. La recherche et le développement de l'électrolyte sont très importants pour les performances et le développement des batteries lithium-ion secondaires.

Du point de vue de la sécurité des batteries, il est nécessaire que les électrolytes organiques aient une bonne stabilité thermique et restent stables dans des conditions de température élevée générées par le chauffage de la batterie, afin que l'ensemble de la batterie ne subisse pas d'emballement thermique. L'impact des électrolytes organiques sur la sécurité des batteries lithium-ion est principalement étudié sous trois aspects : les solvants, les sels de lithium de l'électrolyte et les additifs. La solution fondamentale aux problèmes de sécurité des batteries lithium-ion devrait être les électrolytes liquides ioniques.

4 Processus de fabrication et sécurité des batteries

Le processus de fabrication des batteries lithium-ion peut être divisé en processus de fabrication de batteries lithium-ion liquides et polymères. Quelle que soit la structure de la batterie lithium-ion, la fabrication des électrodes, l'assemblage de la batterie et d'autres processus de fabrication auront un impact sur la sécurité de la batterie. Le contrôle de la qualité des différents processus tels que le mélange des électrodes positives et négatives, le revêtement, le laminage, la découpe ou le poinçonnage, l'assemblage, le scellement de l'électrolyte et la formation ont tous une incidence sur les performances et la sécurité de la batterie.

L'uniformité de la boue détermine l'uniformité de la distribution des substances actives sur l'électrode, ce qui affecte la sécurité de la batterie. Si la finesse de la suspension est trop importante, il peut y avoir des changements significatifs dans l'expansion et la contraction du matériau de l'électrode négative pendant la charge et la décharge de la batterie, ce qui peut conduire à la précipitation du lithium métallique ; une finesse trop faible de la suspension peut conduire à une résistance interne excessive dans la batterie.

Une température de chauffage du revêtement trop basse ou un temps de séchage insuffisant peuvent entraîner une résistance interne excessive dans la batterie. Si le temps de chauffage du revêtement est trop faible ou si le temps de séchage est insuffisant, des résidus de solvant et une dissolution partielle du liant se produiront, ce qui entraînera un décollement facile de certaines substances actives ; une température excessive peut entraîner la carbonisation du liant, le décollement des substances actives et la formation de courts-circuits à l'intérieur de la batterie

5 Utilisation sûre des batteries

La sécurité des batteries lithium-ion a fait l'objet d'une grande attention et est étroitement liée aux applications prévues. Pour les batteries de puissance au lithium-ion, quelle que soit la capacité individuelle, une combinaison de batteries est inévitablement utilisée. S'il n'est pas possible d'obtenir un contrôle précis de l'équilibre, cela équivaut à un abus pour une seule cellule.

Le nombre de cycles de la batterie et le système de charge et de décharge ont un impact significatif sur la sécurité des batteries. Pendant l'utilisation, il est conseillé de minimiser la surcharge ou la décharge des cellules individuelles, en particulier pour les batteries de grande capacité. Les perturbations thermiques peuvent provoquer une série de réactions secondaires exothermiques, qui finissent par poser des problèmes de sécurité.

Les batteries au lithium-ion ont également une très mauvaise caractéristique de "vieillissement". Après avoir été stockées pendant un certain temps, même si elles ne sont pas recyclées, une partie de leur capacité sera définitivement perdue. La raison en est que les électrodes positives et négatives de la batterie ont déjà commencé leur processus d'épuisement depuis leur sortie de l'usine. Le taux de vieillissement varie en fonction de la température et du niveau de charge de la batterie. Plus la température de stockage est élevée et plus la charge est importante, plus la perte de capacité de la batterie est rapide. Il n'est donc pas recommandé de stocker les batteries lithium-ion à l'état saturé pendant une longue période. Pour le stockage des batteries, essayez de les stocker à basse température.

6 Résumé

Les batteries au lithium-ion ont fait des progrès considérables ces dernières années et les batteries électriques au lithium-ion sont apparues sur le marché. Actuellement, elles en sont encore au stade du développement et sont améliorées pour convenir à des cycles de charge-décharge à taux élevé, à des conditions de température élevée et basse, à des environnements difficiles et à une maintenance réduite dans les environnements industriels. Avec la recherche approfondie sur les questions de sécurité telles que les systèmes de batterie et les matériaux de batterie, il est nécessaire de travailler ensemble du point de vue de la conception, de la production et de l'utilisation pour résoudre le problème de la sécurité des batteries au lithium-ion, éviter les facteurs dangereux et promouvoir le développement sain des batteries au lithium-ion.