L'emballement thermique est une préoccupation majeure dans la technologie des batteries, en particulier dans les batteries lithium-ion couramment utilisées dans diverses applications, des appareils électroniques grand public aux véhicules électriques. Comprendre les risques associés à l'emballement thermique est essentiel pour garantir la sécurité et atténuer les dangers potentiels. C'est pourquoi nous allons examiner de plus près le risque d'emballement thermique dans les batteries.
Qu'est-ce que l'emballement thermique des batteries au lithium ?
Définition et processus de réaction en chaîne
L'emballement thermique des batteries lithium-ion est un phénomène de réaction en chaîne complexe aux conséquences potentiellement catastrophiques. L'emballement thermique du lithium commence souvent par la dégradation de la membrane d'interface électrolyte solide (SEI) à l'intérieur de l'électrode négative de la cellule de batterie. Cette dégradation peut être initiée par des facteurs tels que la surcharge, les dommages physiques ou les défauts de fabrication.
Phase de dégradation initiale
Une fois que la membrane SEI se dégrade, le séparateur à l'intérieur de la cellule de batterie commence à se décomposer et à fondre. Cette décomposition compromet l'intégrité structurelle de la cellule et facilite la propagation des réactions entre l'électrode et l'électrolyte. Lorsque l'électrode négative interagit avec l'électrolyte, elle déclenche d'autres réactions de décomposition, entraînant le dégagement de chaleur et de gaz.
Escalade et propagation
Ce processus peut s'intensifier rapidement et se propager à l'électrode positive, exacerbant le phénomène d'emballement thermique. La décomposition et la dégradation généralisées à l'intérieur de la cellule de batterie peuvent entraîner des courts-circuits internes, provoquant un échauffement localisé et accélérant encore la réaction en chaîne. Finalement, l'électrolyte s'enflamme, conduisant à une combustion intense et à l'émission de chaleur et de gaz nocifs.
Perspective de libération d'énergie
Les gens imaginent les batteries au lithium comme des sphères d'énergie fermées. Ces petites batteries existent sous forme d'agents réducteurs et d'agents oxydants, leur permettant de subir soit une charge et une décharge lentes, soit une combustion vigoureuse.
L'emballement thermique d'une batterie lithium-ion désigne une réaction en chaîne déclenchée par divers facteurs, générant de la chaleur qui élève la température d'emballement thermique de la batterie lithium-ion à plus de mille degrés Celsius, enflammant violemment la batterie au lithium et émettant une quantité importante de chaleur et de gaz nocifs en peu de temps.
Ampleur de la libération d'énergie
Ainsi, lorsqu'une batterie lithium-ion subit un emballement thermique, l'énergie libérée par l'ensemble de la batterie est colossale. Une batterie composée de 100 cellules d'une capacité de charge de 100 Ah possède une énergie d'emballement de 240,000,000 millions de joules, soit l'équivalent d'environ 57 kilogrammes de TNT. Malgré les efforts continus des scientifiques et des ingénieurs pour améliorer la conception, perfectionner les algorithmes et ainsi renforcer la sécurité des véhicules, les risques persistent. packs de batteries lithium-ionDans la réalité, nous entendrons de temps à autre parler de voitures électriques et de téléphones portables qui prennent feu.
Quelles sont les causes de l'emballement thermique dans les batteries ?
- Surcharge :La batterie elle-même dispose d'une protection contre les surcharges, mais si cette protection tombe en panne et que la batterie continue de se charger, cela entraîne une surcharge, déclenchant un emballement thermique. À mesure que la batterie vieillit, son vieillissement s'aggrave et la consistance du bloc-batterie se détériore. À ce stade, si la batterie est surchargée, elle est très susceptible de présenter des problèmes de sécurité thermique. Il est donc essentiel de toujours suivre les instructions de charge sécuritaire.
- Échauffement excessif: Lorsque la batterie subit une décharge à grande vitesse ou rencontre des conditions extrêmes, la température interne de la batterie augmente progressivement. Lorsqu'une quantité importante de chaleur s'accumule dans la batterie, l'incapacité à limiter rapidement le courant de décharge peut entraîner un emballement thermique de la batterie au lithium.
- Mécaniques: Les chocs, les courts-circuits internes et d'autres actions endommageant le bloc-batterie peuvent provoquer un emballement thermique.
Le processus d'apparition de l'emballement thermique des batteries au lithium
Aperçu des stades de l'emballement thermique
L'emballement thermique est divisé en trois stades : le stade d'auto-échauffement (50°C-140°C), le stade d'emballement (140°C-850°C) et le stade de terminaison (850°C-température ambiante). Certaines sources indiquent que la température de fusion massive du séparateur commence autour de 140°C.
Stade d'auto-échauffement (50°C-140°C)
Le stade d'auto-échauffement, également appelé stade d'accumulation de chaleur, commence par la dissolution de la membrane SEI. La dissolution de la membrane SEI devient notable lorsque la température atteint environ 90°C. La dissolution de la membrane SEI expose l'électrode négative et les composants carbonés insérés dans le lithium à l'intérieur de l'électrode négative à l'électrolyte, déclenchant une réaction exothermique, ce qui élève la température. L'augmentation de température, en revanche, accélère la décomposition ultérieure de la membrane SEI. En l'absence de mécanisme de refroidissement externe, ce processus se poursuivra jusqu'à ce que la membrane SEI soit complètement décomposée.
Stade d'emballement (140°C-850°C)
Lors de l'emballement thermique, les températures supérieures à 140 °C déclenchent des réactions électrochimiques dans les matériaux d'électrode. L'augmentation de la masse des réactifs accélère la montée en température. On observe alors une chute de tension brutale. Le séparateur commence à fondre massivement à ces températures, ce qui provoque un contact direct entre les électrodes et, par conséquent, des courts-circuits généralisés.
Phase de réaction intense
En peu de temps, des réactions intenses génèrent de grandes quantités de gaz et de chaleur. La chaleur chauffe davantage le gaz, qui se dilate et fait éclater le boîtier de la cellule, entraînant des phénomènes tels que l'éjection de matériaux. L'emballement atteint son état le plus intense, la température la plus élevée étant atteinte pendant ce stade.
Propagation thermique
S'il y a d'autres cellules de batterie à proximité, l'emballement thermique peut se propager à elles par transfert de chaleur vers l'environnement. La chaleur peut se conduire vers des pièces conductrices ou par expansion volumique. Les cellules de batterie initialement espacées peuvent maintenant être en contact direct, facilitant le transfert de chaleur entre les boîtiers des cellules.
Stade de terminaison (850°C-température ambiante)
Dans le stade de terminaison, une fois que l'emballement thermique s'est produit, il ne peut se terminer que lorsque tous les réactifs sont consommés. Un rapport des services d'incendie indique que pour les dispositifs fermés contenant des substances à haute énergie comme les batteries au lithium, les méthodes d'extinction ne peuvent pas arrêter immédiatement un emballement thermique en cours.
Les agents extincteurs ne peuvent pas atteindre efficacement les substances en réaction. Les pompiers sont confrontés à des risques élevés dans de telles situations, avec des mesures limitées disponibles. Généralement, l'approche consiste à isoler le site de l'accident. L'emballement thermique ne peut se terminer naturellement qu'une fois les réactifs consommés.
Comment prévenir l'emballement thermique des batteries Li-ion ?
Comme nous pouvons le voir ci-dessus, l'accent sur l'emballement thermique réside dans la prévention et la surveillance. Une fois que l'emballement thermique se produit, il y a peu à faire pour l'arrêter, un peu comme essayer d'éteindre l'explosion d'une grenade à main.
Prévention
1. La clé de l'emballement thermique réside dans la stabilité des matériaux d'électrode positive et négative et de l'électrolyte. À l'avenir, des percées plus importantes sont nécessaires dans plusieurs domaines clés. Cela inclut l'enrobage et la modification des matériaux d'électrode positive. La compatibilité de l'électrolyte homogène avec les électrodes doit être améliorée. La conductivité thermique du cœur de batterie doit également être renforcée. Ou choisir un électrolyte à haute sécurité pour jouer un rôle ignifuge.
2. Mise en œuvre d'améliorations et d'optimisations système d'un point de vue externe.
- Dispositifs PTC (à coefficient de température positif) : L'installation de dispositifs PTC dans les batteries lithium-ion prend en compte à la fois la pression interne et la température. Lorsque la température de la batterie augmente en raison d'une surcharge, la résistance interne de la batterie augmente rapidement pour limiter le courant, réduisant ainsi la tension entre les électrodes positive et négative à un niveau sûr, réalisant une protection automatique de la batterie.
- Vannes anti-explosion : Lorsque la batterie subit une pression interne anormale, la vanne anti-explosion se déforme, coupant le fil conducteur à l'intérieur de la batterie utilisé pour la connexion, arrêtant ainsi la charge.
- Méthodes de refroidissement améliorées : Le système de gestion thermique est crucial pour contrôler la température et garantir que la batterie fonctionne à une température raisonnable. Généralement, le contrôleur du véhicule gère le système de gestion thermique. Lorsque les températures du bloc-batterie deviennent anormales, le système de climatisation fournit un refroidissement ou un chauffage en temps opportun pour garantir la sécurité et la longévité de la batterie.
- Pads isolants thermiques en aérogel pour batteries : Les fabricants assemblent des pads thermiques en aérogel entre les cellules et les modules des batteries de puissance. Lorsqu'un emballement thermique se produit dans une cellule, la faible conductivité thermique de l'aérogel fournit une isolation thermique qui retarde ou bloque l'accident. Lorsqu'une cellule surchauffe et brûle, les pads thermiques en aérogel atteignent une performance incombustible de classe A pour bloquer ou ralentir efficacement la propagation du feu. Cette conception garantit que le bloc-batterie ne brûlera ni n'explosera dans les 5 minutes, fournissant ainsi un temps d'évacuation suffisant.
Conçues pour la stabilité thermique, que les batteries CMB maintiennent un taux de décharge de 1 C même à des températures atteignant 85°C, grâce à une conception innovante et des électrolytes haute température garantissant longévité et performance. CMB fournit des solutions professionnelles de batteries haute température pour les équipements médicaux, l'exploration pétrolière et l'IdO, réduisant la probabilité d'emballement thermique à 0.01 %.
Surveillance
1. Surveillance précoce et intermédiaire
- Technologie d'alerte précoce en temps réel de l'emballement thermique surveillée par BMS
Actuellement, la solution la plus facile à mettre en œuvre consiste à utiliser un BMS pour surveiller la température, la tension et d'autres paramètres de fonctionnement afin de détecter les premiers signes d'emballement thermique. Pour améliorer les capacités de détection de défauts, les ingénieurs peuvent utiliser ou développer des capteurs de température et de tension de précision et de fiabilité supérieures. En même temps, les développeurs peuvent construire des modèles d'estimation de paramètres d'état plus précis et plus efficaces via des algorithmes pour détecter plus tôt les utilisations abusives et les anomalies. L'intelligence artificielle peut jouer un certain rôle dans ce processus. Cependant, les solutions BMS présentent également des problèmes : la surveillance des paramètres externes ne peut pas fournir une simulation complète et précise, ni refléter avec exactitude les changements électrochimiques internes, ce qui empêche les BMS modernes d'évaluer complètement le risque potentiel d'emballement thermique des cellules.
- Technologie d'alerte précoce de l'emballement thermique basée sur la prédiction de l'état interne
Le contrôle externe est difficile à réaliser pleinement. Les chercheurs partent donc de l'intérieur. La recherche actuelle se concentre sur la détection en temps réel de la température et de l'impédance internes de la batterie. Les méthodes incluent des capteurs de fibre de Bragg pliables intégrés ou l'analyse de réponse en fréquence par analyseur d'impédance électrochimique. Ces approches restent au stade du laboratoire en raison de contraintes de coût et techniques.
- Technologie d'alerte précoce de l'emballement thermique basée sur la détection de gaz
Au début de l'emballement thermique d'une batterie lithium-ion, les paramètres d'identification caractéristiques changent très lentement. Ces paramètres incluent la température de la batterie, la tension de décharge et le courant de décharge. Un BMS normal ne peut pas détecter les défauts de la batterie suffisamment tôt en raison de ces changements progressifs. À ce moment, une grande quantité de gaz est produite en raison des réactions électrochimiques internes de la batterie. Par conséquent, l'utilisation de capteurs de détection de gaz pour réaliser une alerte précoce de l'emballement thermique des batteries lithium-ion est réalisable. Actuellement, certaines entreprises ont développé des produits pertinents combinant la détection de gaz avec la protection incendie.
2. Surveillance tardive
Le séparateur de cellule de batterie commence à se dissoudre massivement, ce qui entraîne des courts-circuits internes généralisés dans la batterie. Une chute de tension se produit alors en raison des courts-circuits massifs entre les électrodes positive et négative. À ce stade, l'emballement thermique est totalement incontrôlable.
Un paramètre électrique détectable, la tension aux bornes de la cellule de batterie, apparaît au cours de ce processus. Les systèmes BMS actuels ne peuvent collecter avec précision que les données de tension de chaque module en série (chaque module contenant plusieurs cellules en parallèle). Ce phénomène permet au système de gestion de détecter un défaut dans la cellule de batterie.
Cependant, lorsque la chute de tension est détectée, c'est déjà un moment irréversible de l'emballement thermique. Le signal de déclenchement des mesures de refroidissement perd son sens.
Ce que nous pouvons faire, c'est envisager des stratégies pour retarder la propagation de l'emballement thermique pendant le processus de conception et de mise en œuvre du produit. En réalité, l'emballement thermique se produit extrêmement rapidement et peut causer des dommages dévastateurs en peu de temps. Il est donc essentiel de retarder ou de supprimer les dangers de l'emballement thermique pour fournir suffisamment de temps d'évacuation après qu'un accident se produit.
Les ingénieurs de CMB étudient l'emballement thermique des blocs-batteries au lithium depuis des décennies. Nous pouvons concevoir des BMS pour différentes applications, surveiller la température, la tension de décharge et le courant de décharge de la batterie, arrêter la batterie et déclencher une alarme avant l'emballement thermique. Si vous recherchez un bloc-batterie au lithium 100 % sécurisé pour votre équipement, cliquez ici pour obtenir l'aide des ingénieurs CMB !
Conclusion
Une fois que l'emballement thermique se produit dans un bloc-batteries au lithium, c'est comme une flèche tirée qui ne peut être rattrapée. Actuellement, l'industrie a à peu près compris les mécanismes à l'origine de l'emballement thermique. Les recherches futures se concentreront davantage sur la sécurité des batteries, la gestion thermique, la prédiction et l'alerte précoces de l'emballement thermique, ainsi que sur les obstacles à la notification et à la communication tardives. Grâce à l'exploration continue des experts de l'industrie, on pense que des solutions complètes à l'emballement thermique des batteries seront bientôt réalisées. À ce moment-là, les gens pourront conduire des véhicules électriques avec plus de sérénité et utiliser des produits de stockage d'énergie à grande échelle, profitant avec confiance d'un nouveau mode de vie alimenté par l'énergie propre.
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