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À propos de la sécurité thermique des batteries lithium-ion

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À propos de la sécurité thermique des batteries lithium-ion

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Dans le domaine du transport durable, la gestion thermique des batteries lithium-ion (LIB) dans les véhicules électriques est un domaine de recherche clé qui est crucial pour améliorer l'efficacité du système énergétique et garantir la sécurité. Les systèmes de gestion thermique des batteries (BTMS) jouent un rôle décisif dans le maintien des batteries au lithium-ion dans la plage de température optimale, ce qui permet d'optimiser les performances des batteries et d'allonger leur durée de vie. Ce domaine est confronté à des défis importants, principalement liés à la surchauffe et aux changements de température des piles à lithium, qui peuvent affecter la sécurité et les performances des piles, accélérer leur vieillissement et réduire la capacité de stockage de l'énergie, voire, dans les cas extrêmes, entraîner un emballement thermique (TR) et des risques d'incendie ou d'explosion.



Les progrès des BTMS ont montré des avantages significatifs dans les véhicules électriques, tels qu'une régulation plus précise et uniforme de la température, améliorant l'efficacité et la fiabilité des batteries ; l'innovation des matériaux à changement de phase (PCM) et d'autres technologies BTMS a amélioré la dissipation de la chaleur et la prévention de l'emballement thermique, augmentant la sécurité et la densité énergétique des batteries ; l'étude de la génération thermique dans les LIB devient de plus en plus importante, en particulier son impact sur la performance et la sécurité des batteries ; il existe actuellement de nombreuses méthodes innovantes pour la gestion thermique des véhicules électriques, mais il y a encore des défis clés qui nécessitent des recherches plus approfondies.



1.Gestion thermique des batteries lithium-ion
La gestion thermique des batteries lithium-ion est cruciale pour leur fonctionnement efficace et sûr, en particulier dans des applications telles que les véhicules électriques et les systèmes de stockage d'énergie. Il existe trois types de gestion thermique : les systèmes actifs, passifs et hybrides, chacun ayant des caractéristiques uniques adaptées à des applications et des exigences différentes.



Système actif : il utilise des moyens mécaniques ou électriques (tels que des pompes et des ventilateurs) pour réguler la température de la batterie, y compris des méthodes de refroidissement par air et par liquide. Il a un bon effet de dissipation de la chaleur, mais il augmente la consommation d'énergie du système, réduit l'efficacité globale de la batterie et est plus complexe et plus coûteux à concevoir.



Systèmes passifs : utilisant des technologies telles que les MCP et les caloducs, ils s'appuient sur des processus naturels tels que la conduction et la convection pour le transfert de chaleur, ne nécessitent pas d'énergie supplémentaire, ont un meilleur rendement énergétique et une conception plus simple, mais peuvent être confrontés à des difficultés en cas de charges thermiques élevées ou de températures extrêmes, et certains matériaux (tels que les MCP) peuvent avoir une faible conductivité thermique et des fuites après la fonte.



Système hybride : La combinaison de méthodes actives et passives, comme l'intégration de MCP dans des systèmes de refroidissement par air ou par liquide, peut améliorer le contrôle de la température tout en évitant la consommation d'énergie élevée des systèmes entièrement actifs, mais elle nécessite une conception minutieuse et une ingénierie avancée pour atteindre l'équilibre optimal entre l'efficacité énergétique et l'efficacité de la gestion thermique.



Le choix d'un système de gestion thermique approprié nécessite la prise en compte de facteurs tels que la taille de la batterie, sa durée de vie et le taux de charge et de décharge. De nouveaux matériaux tels que les nanomatériaux de polymérisation (PCM) et les technologies avancées de refroidissement et de chauffage améliorent l'efficacité et la sécurité de ces systèmes, ce qui contribue à accroître l'adoption des batteries dans diverses applications, à réduire les coûts et à encourager l'utilisation de sources d'énergie plus propres et plus durables. En outre, l'intégration et la compatibilité de ces systèmes avec la conception globale du véhicule électrique ou du système de stockage constituent également un défi. De nombreuses études ont proposé diverses améliorations de la conception pour accroître l'efficacité des BTMS.



Les BTMS présentent des défis importants, en particulier dans des conditions de fonctionnement difficiles. L'une des principales limitations est la faible conductivité thermique des PCM, qui entraîne une répartition inégale de la température dans les cellules de la batterie et a des effets néfastes sur les performances et l'efficacité des LIB. Dans des cas extrêmes, tels que des taux de décharge supérieurs à 1°C ou des températures ambiantes supérieures à 35°C, ce problème peut être exacerbé, et la différence de température entre les cellules individuelles peut être inférieure à 3°C, ce qui a un impact significatif sur les performances et la durabilité des piles à lithium.



En outre, les BTMS actuels présentent également des limites importantes, en particulier dans les scénarios de charge rapide et à des températures ambiantes élevées, ce qui peut conduire à une faible efficacité de la gestion thermique et à un risque accru de TR.



2.Innovation dans les méthodes de refroidissement pour les systèmes de gestion des batteries
Les progrès de la technologie de la réfrigération sont significatifs dans les domaines monophasé et multiphasé. La conception de la réfrigération monophasique est simple, mais sa capacité de transfert de chaleur est relativement limitée par rapport à la technologie multiphasique. Dans le domaine du refroidissement monophasé, de nouveaux nanofluides ont été étudiés pour améliorer la conductivité thermique et l'efficacité du transfert de chaleur. Les systèmes de refroidissement immersifs ont également une bonne efficacité de régulation thermique. Dans la réfrigération multiphase, les réfrigérants traditionnels tels que les HFC et les HCFC ont un impact sur l'environnement. Par conséquent, il est essentiel d'explorer de nouveaux fluides diélectriques avec des points d'ébullition plus bas pour prolonger la durée de vie des batteries et améliorer leur sécurité en introduisant des modèles de gestion thermique.



Les innovations en matière de matériaux et de structures modifient l'efficacité thermique, comme l'utilisation de PCM pour maintenir la température de la batterie dans une plage sûre, mais avec une faible conductivité thermique, qui peut être résolue en introduisant des matrices métalliques hautement conductrices et en ajoutant des nanoparticules métalliques ou des matériaux poreux ; les plaques de refroidissement à microcanaux peuvent gérer efficacement la température des batteries, mais leur production est complexe et coûteuse ; la structure hybride combine les avantages des systèmes de refroidissement passifs et actifs, mais augmente le poids et la complexité ; les matériaux innovants tels que le graphène peuvent améliorer la dissipation de la chaleur, mais le coût de production est élevé. Malgré les progrès significatifs réalisés dans l'amélioration de l'efficacité thermique, il reste des défis tels que l'optimisation des coûts, la simplification des processus de fabrication et l'intégration efficace qui nécessitent une recherche et un développement continus pour relever ces défis et tirer pleinement parti des avantages de la technologie avancée.



3.Les défis des batteries lithium-ion dans des conditions extrêmes


À température ambiante : en dessous de 10 % de SoC, la température de la batterie est relativement stable. Lorsque la phase de 4C (12A) commence, la température augmente jusqu'à 54°C. Cette augmentation de température a attiré l'attention au niveau du bloc-batterie, soulignant la nécessité de stratégies de charge précises pour atténuer les risques de surchauffe et garantir la sécurité et l'intégrité opérationnelle à long terme du bloc-batterie. En fin de compte, la réalisation d'une charge sûre et rapide pour ces batteries nécessite un équilibre entre le niveau de SoC requis et des stratégies efficaces de gestion de la température pour éviter l'emballement thermique.



Test de température extrême : Test de charge rapide à des températures extrêmes (-10°C, 10°C, 45°C et 60°C), enregistrer le changement de température Δ T du test de charge rapide pour comparaison. Il s'agit d'une bonne méthode pour comparer différents tests de température avec différentes températures initiales.



Résultats des essais à haute température : Pour les tests à haute température, il est clair que 45°C est le plus bénéfique pour la charge rapide, car la phase de courant élevé dure plus longtemps que les autres températures élevées. Lorsque la température descend à la température ambiante (25 °C), la phase de courant élevé est raccourcie en raison de la résistance plus élevée qu'à 45 °C. À 60 °C, la phase de courant constant (CC) est plus courte qu'à 45 °C, ce qui peut être attribué à la résistance accrue causée par le vieillissement accéléré dans cet environnement.



Les conditions d'essai extrêmes de 60 °C ont entraîné une augmentation significative de la résistance, qui est liée à la croissance de la couche d'interface électrolyte solide (SEI) sur l'électrode négative en graphite. L'augmentation de la température de cyclage entraînera une augmentation de la couche de lithium pendant le processus de cyclage, ce qui entraînera la détection de dépôts sur l'électrode de graphite. Par conséquent, le test de charge rapide à 60 °C peut avoir déclenché un dépôt de lithium sur l'anode, augmentant ainsi la résistance interne.



Résultats des essais à basse température : Dans les environnements à basse température, la phase de courant élevé est considérablement affectée. À 10 °C et en dessous, en raison d'une résistance interne plus élevée, l'étape CC est plus courte qu'à 25 °C. Plus précisément, à -10 °C, la courbe de courant diminue initialement, mais il y a une brève augmentation au fur et à mesure que la charge se poursuit. Ceci est dû à l'évolution de la résistance : au début du test de charge rapide, la résistance est relativement élevée, et à mesure que la température de la batterie augmente, la résistance diminue, ce qui entraîne la courbe de courant observée. Globalement, les conditions de basse température ne sont pas propices à la charge rapide, ce qui signifie qu'il faut deux fois plus de temps pour charger à 80 % à 10 °C. Par conséquent, une stratégie de gestion thermique de prétraitement devrait être développée pour optimiser la charge rapide dans cet environnement.



4.Construction
Cet article se concentre sur les aspects fondamentaux du développement durable et sûr des batteries lithium-ion, en particulier dans des applications clés telles que les véhicules électriques et les systèmes de stockage d'énergie. L'importance cruciale des systèmes de gestion thermique des batteries pour maintenir les batteries au lithium-ion dans la plage de température optimale, optimiser leurs performances et prolonger leur durée de vie a été soulignée. La surchauffe et les variations de température peuvent compromettre la sécurité et les performances de la batterie, accélérer son vieillissement et réduire sa capacité de stockage d'énergie.