Les batteries au lithium ont les avantages de la portabilité et de la charge rapide, alors pourquoi les batteries au plomb et autres batteries secondaires circulent-elles encore sur le marché ?
Outre les problèmes de coût et de domaines d'application différents, une autre raison est la sécurité.
Le lithium est le métal le plus actif au monde.Parce que ses caractéristiques chimiques sont trop actives, lorsque le lithium métal est exposé à l'air, il aura une réaction d'oxydation féroce avec l'oxygène, il est donc sujet aux explosions, à la combustion et à d'autres phénomènes.De plus, une réaction redox se produira également à l'intérieur de la batterie au lithium pendant la charge et la décharge.L'explosion et la combustion spontanée sont principalement causées par l'accumulation, la diffusion et la libération de la batterie au lithium après chauffage.En bref, les batteries au lithium génèrent beaucoup de chaleur pendant le processus de charge et de décharge, ce qui entraîne une augmentation de la température interne de la batterie et une température inégale entre les batteries individuelles, provoquant ainsi des performances instables de la batterie.
Les comportements dangereux de la batterie lithium-ion à emballement thermique (y compris la surcharge et la décharge excessive de la batterie, la charge et la décharge rapides, le court-circuit, les conditions d'abus mécanique, le choc thermique à haute température, etc.) sont susceptibles de déclencher des réactions secondaires dangereuses à l'intérieur de la batterie et de générer de la chaleur, endommager directement le film passif sur l'électrode négative et la surface de l'électrode positive.
Il existe de nombreuses raisons de déclencher des accidents d'emballement thermique des batteries lithium-ion.Selon les caractéristiques du déclenchement, il peut être divisé en déclenchement par abus mécanique, déclenchement par abus électrique et déclenchement par abus thermique.Abus mécanique : fait référence à l'acupuncture, à l'extrusion et à l'impact d'objets lourds causés par une collision avec un véhicule ;Abus électrique : généralement causé par une mauvaise gestion de la tension ou une défaillance des composants électriques, y compris un court-circuit, une surcharge et une décharge excessive ;Abus de chaleur : causé par une surchauffe causée par une mauvaise gestion de la température.
Ces trois modes de déclenchement sont interdépendants.L'abus mécanique entraînera généralement une déformation ou une rupture du diaphragme de la batterie, entraînant un contact direct entre les pôles positif et négatif de la batterie et un court-circuit, entraînant un abus électrique ;Cependant, dans des conditions d'abus d'électricité, la génération de chaleur telle que la chaleur Joule augmente, provoquant une augmentation de la température de la batterie, qui se transforme en abus de chaleur, déclenchant davantage la réaction secondaire de génération de chaleur de type chaîne à l'intérieur de la batterie, et finalement conduisant à l'occurrence d'emballement de la chaleur de la batterie.
L'emballement thermique de la batterie est causé par le fait que le taux de génération de chaleur de la batterie est beaucoup plus élevé que le taux de dissipation de chaleur, et la chaleur est accumulée en grande quantité mais pas dissipée dans le temps.Essentiellement, « l'emballement thermique » est un processus de cycle de rétroaction d'énergie positive : l'augmentation de la température entraînera le réchauffement du système, et la température augmentera après que le système devienne chaud, ce qui à son tour rendra le système plus chaud.
Le processus d'emballement thermique : lorsque la température interne de la batterie augmente, le film SEI à la surface du film SEI se décompose à haute température, l'ion lithium intégré dans le graphite réagit avec l'électrolyte et le liant, augmentant encore la température de la batterie à 150 ℃, et une nouvelle réaction exothermique violente se produira à cette température.Lorsque la température de la batterie atteint plus de 200 ℃, le matériau de la cathode se décompose, libérant une grande quantité de chaleur et de gaz, et la batterie commence à se gonfler et se réchauffe continuellement.L'anode intégrée au lithium a commencé à réagir avec l'électrolyte à 250-350 ℃.Le matériau de cathode chargé commence à subir une réaction de décomposition violente et l'électrolyte subit une réaction d'oxydation violente, libérant une grande quantité de chaleur, générant une température élevée et une grande quantité de gaz, provoquant la combustion et l'explosion de la batterie.
Le problème de la précipitation des dendrites de lithium pendant la surcharge : une fois la batterie au lithium-cobalate complètement chargée, une grande quantité d'ions lithium reste dans l'électrode positive.C'est-à-dire que la cathode ne peut pas contenir plus d'ions lithium attachés à la cathode, mais dans l'état surchargé, les ions lithium en excès sur la cathode nagent toujours vers la cathode.Parce qu'ils ne peuvent pas être entièrement contenus, du lithium métallique se formera sur la cathode.Comme ce lithium métallique est un cristal dendritique, on l'appelle dendrite.Si la dendrite est trop longue, il est facile de percer le diaphragme, provoquant un court-circuit interne.Comme le composant principal de l'électrolyte est le carbonate, son point d'allumage et son point d'ébullition sont bas, il brûlera ou même explosera à haute température.
S'il s'agit d'une batterie au lithium polymère, l'électrolyte est colloïdal, ce qui est sujet à une combustion plus violente.Afin de résoudre ce problème, les scientifiques essaient de remplacer des matériaux de cathode plus sûrs.Le matériau de la batterie au manganate de lithium présente certains avantages.Il peut garantir que l'ion lithium de l'électrode positive peut être complètement intégré dans le trou de carbone de l'électrode négative sous l'état de pleine charge, au lieu d'avoir certains résidus dans l'électrode positive comme le cobalate de lithium, ce qui évite dans une certaine mesure la génération de dendrites.La structure stable du manganate de lithium rend ses performances d'oxydation bien inférieures à celles du cobalate de lithium.Même s'il y a un court-circuit externe (plutôt qu'un court-circuit interne), il peut essentiellement éviter la combustion et l'explosion causées par la précipitation du lithium métallique.Le phosphate de fer au lithium a une stabilité thermique plus élevée et une capacité d'oxydation inférieure de l'électrolyte, il a donc une sécurité élevée.
L'atténuation du vieillissement de la batterie lithium-ion se manifeste par une atténuation de la capacité et une augmentation de la résistance interne, et son mécanisme d'atténuation du vieillissement interne comprend la perte de matériaux actifs positifs et négatifs et la perte d'ions lithium disponibles.Lorsque le matériau de la cathode est vieilli et détérioré, et que la capacité de la cathode est insuffisante, le risque d'évolution du lithium à partir de la cathode est plus susceptible de se produire.Dans des conditions de décharge excessive, le potentiel de la cathode au lithium s'élèvera au-dessus de 3 V, ce qui est supérieur au potentiel de dissolution du cuivre, provoquant la dissolution du collecteur de cuivre.Les ions de cuivre dissous précipiteront sur la surface de la cathode et formeront des dendrites de cuivre.Les dendrites de cuivre traverseront le diaphragme, provoquant un court-circuit interne, ce qui affectera sérieusement les performances de sécurité de la batterie.
De plus, la résistance à la surcharge des batteries vieillissantes diminuera dans une certaine mesure, principalement en raison de l'augmentation de la résistance interne et de la diminution des substances actives positives et négatives, entraînant une augmentation de la chaleur joule lors du processus de surcharge des batteries.Sous une surcharge moindre, des réactions secondaires peuvent se déclencher, provoquant l'emballement thermique des batteries.En termes de stabilité thermique, l'évolution du lithium à partir de la cathode conduira à une forte baisse de la stabilité thermique de la batterie.
En un mot, les performances de sécurité de la batterie vieillissante seront considérablement réduites, ce qui mettra gravement en danger la sécurité de la batterie.La solution la plus courante consiste à équiper le système de stockage d'énergie par batterie d'un système de gestion de batterie (BMS).Par exemple, les batteries 8000 18650 utilisées dans Tesla Model S peuvent effectuer une surveillance en temps réel de divers paramètres physiques de la batterie, évaluer l'état d'utilisation de la batterie et effectuer un diagnostic en ligne et une alerte précoce via son système de gestion de batterie.En même temps, il peut également effectuer le contrôle de la décharge et de la précharge, la gestion de l'équilibre de la batterie et la gestion thermique.
Heure de publication : 02 décembre 2022