Emballement thermique et analyse des matériaux des batteries lithium-ion

Aujourd'hui, de nombreux constructeurs automobiles utilisent massivement des batteries au lithium dans leurs véhicules, et leur densité énergétique ne cesse d'augmenter. Cependant, la sécurité de ces batteries reste une préoccupation majeure, et leur utilisation actuelle ne constitue pas une solution optimale. L'emballement thermique représente le principal axe de recherche en matière de sécurité des batteries et mérite une attention particulière.

Tout d'abord, comprenons ce qu'est l'emballement thermique. L'emballement thermique est un phénomène de réaction en chaîne déclenché par divers facteurs, entraînant une forte émission de chaleur et de gaz nocifs par la batterie en un laps de temps très court. Dans les cas les plus graves, cela peut même provoquer un incendie et une explosion. De nombreux facteurs peuvent être à l'origine d'un emballement thermique, tels que la surchauffe, la surcharge, un court-circuit interne ou une collision. L'emballement thermique d'une batterie débute souvent par la décomposition du film SEI négatif à l'intérieur de l'élément, suivie de la décomposition et de la fusion du diaphragme, puis de l'électrode négative et de l'électrolyte. La décomposition de l'électrode positive et de l'électrolyte qui en résulte provoque un court-circuit interne de grande ampleur, entraînant la combustion de l'électrolyte. Cette combustion se propage ensuite aux autres éléments, provoquant un emballement thermique important et pouvant mener à la combustion spontanée de l'ensemble de la batterie.

Les causes d'emballement thermique se divisent en causes internes et externes. Les causes internes sont souvent dues à des courts-circuits internes ; les causes externes sont dues à des dommages mécaniques, électriques ou thermiques, etc.

Un court-circuit interne, c'est-à-dire un contact direct entre les bornes positive et négative de la batterie, varie considérablement en termes d'intensité et de réaction subséquente. Généralement, un court-circuit interne important, provoqué par des contraintes mécaniques ou thermiques, entraîne un emballement thermique. En revanche, les courts-circuits internes qui se développent spontanément sont relativement mineurs et la chaleur qu'ils génèrent est si faible qu'elle ne provoque pas immédiatement d'emballement thermique. Ces courts-circuits internes spontanés sont souvent dus à des défauts de fabrication, à la détérioration de diverses propriétés liée au vieillissement de la batterie (comme une augmentation de la résistance interne) ou à des dépôts de lithium métallique résultant d'une utilisation inappropriée, même légère, mais prolongée. Avec le temps, le risque de court-circuit interne dû à ces causes internes augmente progressivement.

Les dommages mécaniques désignent la déformation des composants d'une batterie au lithium et de son bloc sous l'effet d'une force extérieure, ainsi que le déplacement relatif de ses différentes parties. Les principales causes de dommages aux cellules électriques sont les collisions, les extrusions et les perforations. Par exemple, le contact d'un objet étranger avec un véhicule lancé à grande vitesse peut entraîner l'affaissement de la membrane interne de la batterie, provoquant un court-circuit et, en peu de temps, une combustion spontanée.

Les dommages électriques causés aux batteries au lithium incluent généralement les courts-circuits externes, les surcharges et les décharges excessives, qui peuvent toutes entraîner un emballement thermique. Un court-circuit externe se produit lorsque deux conducteurs de potentiel différent sont connectés à l'extérieur de l'élément. Dans les batteries, les courts-circuits externes peuvent être dus à des déformations causées par des collisions de véhicules, l'immersion dans l'eau, la contamination des conducteurs ou un choc électrique lors de la maintenance. Contrairement à une perforation, la chaleur dégagée par un court-circuit externe n'échauffe généralement pas la batterie. Le lien essentiel entre un court-circuit externe et l'emballement thermique réside dans le dépassement du seuil de surchauffe. Lorsque la chaleur générée par le court-circuit externe ne peut être correctement dissipée, la température de la batterie augmente et cette température élevée déclenche l'emballement thermique. Par conséquent, couper le courant de court-circuit ou dissiper l'excès de chaleur sont des moyens d'empêcher un court-circuit externe de causer des dommages supplémentaires. La surcharge, du fait de sa forte concentration en énergie, représente l'un des plus grands risques liés aux dommages électriques. La génération de chaleur et de gaz est une caractéristique commune du processus de surcharge. La chaleur générée provient de la chaleur ohmique et de réactions secondaires. Premièrement, des dendrites de lithium se développent à la surface de l'anode en raison d'un enrobage excessif de lithium.