Qu’est-ce que l’emballement thermique des batteries au lithium ?

L'emballement thermique est une préoccupation majeure dans la technologie des batteries, en particulier dans les batteries lithium-ion couramment utilisées dans diverses applications allant de l'électronique 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 nous intéresser de plus près au risque d'emballement thermique des batteries.

Qu’est-ce que l’emballement thermique des batteries au lithium ?

L’emballement thermique du lithium-ion est un phénomène de réaction en chaîne complexe aux conséquences potentiellement catastrophiques. L'emballement thermique du lithium commence souvent par la panne du Interphase à électrolyte solide (SEI) membrane à l’intérieur de l’électrode négative de la cellule de la batterie. Cette panne peut être déclenchée par des facteurs tels qu'une surcharge, des dommages physiques ou des défauts de fabrication. Une fois la membrane SEI brisée, le séparateur à l’intérieur de la cellule de batterie commence à se décomposer et à fondre. Cette panne 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 un dégagement de chaleur et de gaz. Ce processus peut dégénérer rapidement et se propager à l’électrode positive, exacerbant ainsi le phénomène d’emballement thermique. La décomposition et la panne généralisées au sein 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, entraînant une combustion intense et l'émission de chaleur et de gaz nocifs.

Les gens considèrent les batteries au lithium comme des sphères d’énergie fermées. Ces petites batteries existent en tant qu'agents réducteurs et agents oxydants, leur permettant de subir soit une charge et une décharge lentes, soit une combustion vigoureuse. La batterie lithium-ion à emballement thermique 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 intensément les batteries au lithium et émettant une quantité importante de chaleur et de gaz nocifs dans un courte période.

Par conséquent, lorsque les batteries lithium-ion subissent un emballement thermique, l’énergie libérée par l’ensemble de la batterie est stupéfiante. Une batterie composée de 100 cellules avec une capacité de charge de 100 Ah a une énergie d'emballement de 240,000,000 57 XNUMX J, soit environ XNUMX kilogrammes de TNT. Bien que les scientifiques et les ingénieurs continuent d’améliorer la conception, d’améliorer l’algorithme, puis d’améliorer efficacement la sécurité des batteries automobiles lithium-ion, dans la vraie vie, nous entendrons de temps en temps des voitures électriques et des téléphones portables prendre feu.

Quelles sont les causes de l'emballement thermique des batteries ?

• Surcharge: La batterie elle-même est dotée d'une protection contre les surcharges, mais si cette protection contre les surcharges fonctionne mal et que la batterie continue de se charger, cela entraînera une surcharge déclenchant un emballement thermique. Au fur et à mesure que la batterie est utilisée au fil du temps, le vieillissement s’aggrave et la consistance de la batterie se détériore. À ce stade, si la batterie est surchargée, elle est très sensible aux problèmes de sécurité thermique. Il est donc essentiel de toujours suivez les instructions pour un chargement en toute sécurité.

• Surchauffe: 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, le fait de ne pas limiter rapidement le courant de décharge peut entraîner un emballement thermique de la batterie au lithium.

• Mécaniques: Les chocs, les courts-circuits internes et autres actions qui endommagent la batterie peuvent provoquer un emballement thermique.

Le processus d’emballement thermique de la batterie au lithium

L'emballement thermique est divisé en trois étapes : l'étape d'auto-échauffement (50°C-140°C), l'étape d'emballement (140°C-850°C) et l'étape de terminaison (850°C-température ambiante). Certaines publications indiquent que la température de fusion massive du séparateur commence à environ 140°C.

L'étape d'auto-échauffement, également appelée étape d'accumulation de chaleur, commence par la dissolution de la membrane SEI. La dissolution de la membrane SEI devient perceptible lorsque la température atteint environ 90°C. La dissolution de la membrane SEI expose l'électrode négative et les composants carbonés au lithium insérés dans l'électrode négative à l'électrolyte, déclenchant une réaction exothermique, augmentant ainsi la température. En revanche, l’augmentation de la température accélère la décomposition ultérieure de la membrane SEI. S'il n'y a pas de mécanisme de refroidissement externe, ce processus se poursuivra jusqu'à ce que la membrane SEI soit complètement décomposée.

Pendant la phase d'emballement, une fois que la température dépasse 140°C, les valeurs positives et négatives électrode les matériaux participent à des réactions électrochimiques, conduisant à une augmentation plus rapide de la température en raison de l'augmentation de la masse des réactifs. Les changements observables incluent une forte chute de tension, décrite comme suit : après avoir atteint cette plage de température, le séparateur commence à fondre massivement, entraînant un contact direct entre les électrodes positives et négatives, provoquant des courts-circuits généralisés.

En peu de temps, des réactions intenses génèrent de grandes quantités de gaz et de chaleur. La chaleur réchauffe davantage le gaz, qui se dilate et rompt le boîtier de la cellule de la batterie, entraînant des phénomènes tels qu'une éjection de matière. L’emballement atteint son état le plus intense, avec la température la plus élevée atteinte au cours de cette étape. S'il y a d'autres cellules de batterie à proximité, l'emballement thermique peut s'y propager en transférant la chaleur à l'environnement. La chaleur peut être transmise aux pièces conductrices ou à une expansion du volume. Les cellules de batterie, initialement espacées, peuvent désormais être en contact direct, facilitant ainsi le transfert de chaleur entre les boîtiers des cellules.

Dans la phase de terminaison, une fois que l'emballement thermique se produit, il ne peut être interrompu que lorsque tous les réactifs sont consommés. Un rapport des pompiers indique que pour les appareils fermés contenant des substances à haute énergie comme les batteries au lithium, les méthodes de lutte contre l'incendie ne peuvent pas arrêter immédiatement l'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, et les mesures disponibles sont limitées. Généralement, l’approche consiste à isoler le lieu de l’accident. L'emballement thermique ne peut se terminer naturellement qu'une fois les réactifs consommés.

Comment prévenir l’emballement thermique du Li-ion ?

Comme nous pouvons le voir ci-dessus, l’accent mis sur l’emballement thermique réside dans la prévention et la surveillance. Lorsqu’un emballement thermique se produit, il n’y a pas grand-chose 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 des électrodes positives et négatives et de l’électrolyte. À l'avenir, il sera également nécessaire de réaliser des percées plus importantes dans le revêtement et la modification des matériaux des électrodes positives, la compatibilité de l'électrolyte homogène avec l'électrode et l'amélioration de la conductivité thermique du noyau électrique. Ou choisissez l'électrolyte à haute sécurité pour jouer l'effet ignifuge.

2. Mettre en œuvre des mises à niveau et des améliorations du système d'un point de vue externe.

• CTP (Coefficient de température positif) dispositifs: L'installation de dispositifs PTC dans des batteries lithium-ion prend en compte à la fois la pression et la température internes. 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 positives et négatives à un niveau sûr, obtenant ainsi une protection automatique de la batterie.

• Vannes antidéflagrantes : Lorsque la batterie subit une pression interne anormale, la valve antidéflagrante 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 système de gestion thermique est contrôlé par le contrôleur du véhicule. En cas de températures anormales du bloc de batterie, un refroidissement ou un chauffage rapide est obtenu grâce au système de climatisation pour garantir la sécurité et la longévité de la batterie.

• Aérogel coussinets d'isolation thermique de la batterie : Des coussinets thermiques d'aérogel peuvent être assemblés entre les cellules et les modules de batterie de puissance lorsque l'emballement thermique de la cellule de batterie se produit, l'aérogel à faible conductivité thermique peut jouer le rôle d'isolation thermique pour retarder ou bloquer l'accident ; lorsque la cellule de la batterie est surchauffée et brûle, les coussinets thermiques de l'aérogel atteignent les performances de classe A non combustible pour bloquer ou ralentir efficacement la propagation du feu, ce qui peut garantir que la batterie ne brûlera pas ou n'explosera pas dans les 5 minutes, offrant suffisamment de temps pour s'échapper.

Conçu pour la stabilité thermique, CMB Batteries maintenir un taux de décharge de 1 °C même à des températures allant jusqu'à 85 °C, grâce à une conception innovante et des électrolytes à haute température garantissant longévité et performances. CMB fournit des professionnels batterie haute température pack de solutions pour les équipements médicaux, l'exploration pétrolière et l'IoT, réduisant ainsi la probabilité d'emballement thermique à 0.01 %.

Le Monitoring

1. Surveillance précoce et intermédiaire

• Technologie d'alerte précoce en cas d'emballement thermique en temps réel, surveillée par BMS

Actuellement, la solution la plus facilement réalisable 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 ses capacités de détection de défauts, des capteurs de température et des capteurs de tension de plus grande précision et fiabilité peuvent être utilisés ou développés. Dans le même temps, des modèles d’estimation des paramètres d’état plus précis et plus efficaces peuvent être construits grâce à des algorithmes permettant de détecter plus tôt les abus 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 précision les changements électrochimiques internes, ce qui rend les BMS modernes incapables d'évaluer de manière exhaustive le risque potentiel d'emballement thermique des cellules de batterie.

• Technologie d'alerte précoce en cas d'emballement thermique basée sur la prévision de l'état interne

Puisqu'il est difficile de contrôler entièrement de l'extérieur, en commençant par l'intérieur, les orientations de recherche actuelles incluent la détection en temps réel de la température et de l'impédance internes de la batterie à l'aide de capteurs à fibre optique Bragg pliables intégrés ou d'une analyse de réponse en fréquence d'un analyseur d'impédance électrochimique. Cependant, ceux-ci sont encore au stade de laboratoire et ne peuvent pas être appliqués à la production réelle en raison de problèmes de coût et techniques.

• Technologie d'alerte précoce pour l'emballement thermique basée sur la détection de gaz

Au début de l'emballement thermique de la batterie lithium-ion, étant donné que les changements de température de la batterie, de tension de décharge, de courant de décharge et d'autres paramètres d'identification caractéristiques sont très lents, le BMS normal ne peut pas détecter les défauts de la batterie à un stade précoce. À ce moment-là, une grande quantité de gaz sera produite en raison des réactions électrochimiques internes de la batterie. Par conséquent, il est possible d’utiliser des capteurs de détection de gaz pour obtenir une alerte précoce en cas d’emballement thermique des batteries lithium-ion. Actuellement, certaines entreprises ont développé des produits pertinents combinant détection de gaz et protection incendie.

2. Surveillance avancée

Lorsque le séparateur des cellules de la batterie commence à se dissoudre massivement, entraînant des courts-circuits internes généralisés au sein de la batterie, une chute de tension se produit à ce stade en raison des courts-circuits massifs entre les électrodes positives et négatives. À ce stade, l’emballement thermique est totalement incontrôlable.

Un paramètre électrique détectable, la tension aux bornes des cellules de la batterie, apparaît au cours de ce processus. Les systèmes BMS actuels ne peuvent collecter avec précision que des données de tension pour chaque module en série (chaque module contenant plusieurs cellules connectées en parallèle). Ce phénomène permet au système de gestion de détecter un défaut dans la cellule de la batterie.

Or, une chute de tension se détecte au fil du temps, c'est déjà un moment irréversible d'emballement thermique. Le signal déclencheur des mesures de refroidissement perd de sa signification.

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 dégâts dévastateurs en peu de temps. Par conséquent, il est essentiel de retarder ou de supprimer les risques d’emballement thermique afin de laisser suffisamment de temps pour s’échapper après un accident.

CMB ingénieurs étudient l’emballement thermique des batteries au lithium depuis des décennies. Nous pouvons concevoir un 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 un emballement thermique. Si vous recherchez une batterie au lithium 100% sûre pour votre appareil, cliquez ici pour obtenir de l'aide CMB ingénieurs !

Conclusion

Lorsqu’un emballement thermique se produit dans une batterie au lithium, c’est comme une flèche tirée qui ne peut pas être récupérée. Actuellement, l’industrie a globalement 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 prévision et l’alerte précoces en cas d’emballement thermique, ainsi que les obstacles à la notification et à la communication tardives. Grâce à l'exploration continue par les experts du secteur, nous pensons que des solutions complètes à l'emballement thermique des batteries seront bientôt disponibles. À cette époque, les gens pouvaient conduire des véhicules électriques avec une plus grande tranquillité d'esprit et utiliser des produits de stockage d'énergie à grande échelle, profitant ainsi d'un nouveau style de vie alimenté par une énergie propre en toute confiance.