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 ?
Définition et processus de réaction en chaîne
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 batterie. Cette dégradation peut être provoquée par des facteurs tels qu'une surcharge, des dommages physiques ou des défauts de fabrication.
Phase de décomposition initiale
Une fois la membrane SEI rompue, le séparateur à l'intérieur de la cellule de batterie commence à se décomposer et à fondre. Cette dégradation compromet l'intégrité structurelle de la cellule et facilite la propagation des réactions entre l'électrode et l'électrolyte. L'interaction de l'électrode négative avec l'électrolyte déclenche de nouvelles réactions de décomposition, entraînant un dégagement de chaleur et de gaz.
Escalade et propagation
Ce processus peut s'intensifier rapidement et se propager à l'électrode positive, aggravant ainsi le phénomène d'emballement thermique. La décomposition et la dégradation généralisées de la cellule de batterie peuvent provoquer des courts-circuits internes, provoquant un échauffement localisé et accélérant encore la réaction en chaîne. Finalement, l'électrolyte s'enflamme, provoquant une combustion intense et l'émission de chaleur et de gaz nocifs.
Perspective de libération d'énergie
Les batteries au lithium sont perçues comme des sphères d'énergie fermées. Ces petites batteries fonctionnent comme des agents réducteurs et 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 augmente 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 en peu de temps.
Ampleur de la libération d'énergie
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
Aperçu des étapes d'emballement thermique
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.
Étape d'auto-échauffement (50°C-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.
Stade d'emballement (140°C-850°C)
Au cours de la phase d'emballement, les températures supérieures à 140 °C déclenchent des réactions électrochimiques dans électrode Matériaux. L'augmentation de la masse des réactifs accélère la montée en température. Parmi les changements observables, on observe une chute brutale de tension. Le séparateur commence à fondre massivement à cette température. Il en résulte un contact direct des électrodes, provoquant 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 échauffe davantage le gaz, qui se dilate et rompt le boîtier de la cellule de la batterie, provoquant des phénomènes tels que l'éjection de matière. L'emballement atteint son niveau d'intensité maximal, la température maximale étant atteinte à ce stade.
Propagation thermique
Si d'autres cellules de batterie se trouvent à proximité, un emballement thermique peut s'y propager par transfert de chaleur vers l'environnement. La chaleur peut alors se propager aux pièces conductrices ou provoquer une dilatation volumique. Les cellules de batterie initialement espacées peuvent désormais être en contact direct, facilitant ainsi le transfert de chaleur entre leurs enveloppes.
Étape de terminaison (850 °C - température ambiante)
Lors de la phase d'arrêt, une fois l'emballement thermique déclenché, il ne peut être stoppé que lorsque tous les réactifs sont consommés. Un rapport des pompiers indique que pour les dispositifs fermés contenant des substances à haute énergie comme les batteries au lithium, les méthodes de lutte contre l'incendie ne peuvent pas immédiatement arrêter l'emballement thermique en cours.
Les agents extincteurs ne peuvent pas atteindre efficacement les substances réactives. Dans de telles situations, les pompiers sont exposés à des risques élevés, compte tenu des mesures limitées disponibles. En général, 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. Des avancées majeures sont nécessaires dans plusieurs domaines clés, notamment le revêtement et la modification des matériaux des électrodes positives. La compatibilité électrolytique homogène avec les électrodes doit être améliorée. La conductivité thermique du cœur électrique doit également être améliorée. Il est également conseillé de choisir un électrolyte hautement sûr pour bénéficier de 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 essentiel pour contrôler la température et garantir le fonctionnement de la batterie à une température raisonnable. Généralement, le contrôleur du véhicule contrôle le système de gestion thermique. Lorsque la température de la batterie devient anormale, le système de climatisation assure un refroidissement ou un chauffage rapide afin de garantir la sécurité et la longévité de la batterie.
- Aérogel coussinets d'isolation thermique de la batterie : Les fabricants installent des coussinets thermiques en aérogel entre les cellules et les modules de batteries d'énergie. En cas d'emballement thermique dans une cellule, la faible conductivité thermique de l'aérogel assure une isolation thermique qui retarde ou bloque l'accident. En cas de surchauffe et de combustion d'une cellule, les coussinets thermiques en aérogel atteignent une performance incombustible de classe A pour bloquer ou ralentir efficacement la propagation du feu. Cette conception garantit que la batterie ne brûlera ni n'explosera dans les 5 minutes, offrant ainsi un délai d'évacuation suffisant.
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 simple 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 des défauts, les ingénieurs peuvent utiliser ou développer des capteurs de température et de tension plus précis et plus fiables. Parallèlement, les développeurs peuvent construire des modèles d'estimation des paramètres d'état plus précis et plus efficaces grâce à des algorithmes permettant de détecter plus tôt les abus et les anomalies. L'intelligence artificielle peut jouer un rôle dans ce processus. Cependant, les solutions BMS présentent également des problèmes : la surveillance des paramètres externes ne permet pas de fournir une simulation complète et précise, ni de refléter avec précision les changements électrochimiques internes, ce qui empêche les BMS modernes 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
Le contrôle externe est difficile à réaliser pleinement. Les chercheurs commencent donc par l'intérieur. Les recherches actuelles se concentrent sur la détection en temps réel de la température et de l'impédance internes des batteries. Les méthodes incluent des capteurs à fibre optique Bragg pliables intégrés ou l'analyse de la réponse en fréquence par analyseur d'impédance électrochimique. Ces approches restent au stade du laboratoire en raison de contraintes financières et techniques.
- Technologie d'alerte précoce pour 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, la tension et le courant de décharge. Un BMS classique ne peut pas détecter précocement les défauts de batterie en raison de ces variations progressives. À ce stade, une grande quantité de gaz est produite par les réactions électrochimiques internes de la batterie. Par conséquent, l'utilisation de capteurs de détection de gaz pour détecter précocement l'emballement thermique d'une batterie lithium-ion est possible. Certaines entreprises ont actuellement développé des produits adaptés combinant détection de gaz et protection incendie.
2. Surveillance avancée
Le séparateur des cellules de la batterie commence à se dissoudre massivement. Cela 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 devient 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.
Une pensée