Comprendre l'emballement thermique des batteries lithium-ion - causes, mécanisme et prévention
Emballement thermique d'une batterie lithium-ion L'emballement thermique est un problème de sécurité majeur dans les technologies modernes de stockage de l'énergie. Il est très important de comprendre le mécanisme de l'emballement thermique des batteries au lithium et de prendre des mesures préventives pour garantir la sécurité et la fiabilité du système de batteries.
Cet article présente les causes, le mécanisme et la prévention de l'emballement thermique des batteries au lithium-ion.
Table des matières
Qu'est-ce que l'emballement thermique dans les batteries lithium-ion ?
L'emballement thermique d'une batterie au lithium désigne le phénomène selon lequel le courant de la batterie au lithium et l'augmentation de la température interne se produisent de manière cumulative et se renforcent mutuellement, ce qui endommage la batterie au lithium. L'emballement thermique au sens étroit se réfère à une seule cellule. L'emballement thermique généralisé, dont le sujet se réfère à PACK.
En termes simples, l'emballement thermique est un processus de boucle de rétroaction énergétique positive : l'augmentation de la température entraîne une augmentation de la température du système, qui à son tour entraîne une augmentation de la température du système, qui à son tour entraîne une augmentation de la température du système, qui à son tour entraîne une augmentation de la température du système, et finalement un incendie ou une explosion.
Quelles sont les causes de l'emballement thermique des batteries lithium-ion ?
Les principaux facteurs à l'origine de l'emballement thermique des batteries lithium-ion sont les courts-circuits externes, les températures élevées externes et les courts-circuits internes.
Court-circuit externe
La probabilité de danger dans le fonctionnement réel du véhicule est extrêmement faible, d'une part parce que le système du véhicule est équipé d'un fusible et d'un système de gestion de la batterie (BMS), et d'autre part parce que la batterie peut résister pendant une courte période à un impact de courant important.
Température externe élevée
En raison des caractéristiques de la structure de la batterie au lithium-ion. À des températures élevées, le film SEI, l'électrolyte, l'EC et d'autres réactions de décomposition se produisent, la décomposition de l'électrolyte de la batterie au lithium réagira également avec les électrodes positives et négatives, le diaphragme de la cellule fondra et se décomposera, et diverses réactions produiront une grande quantité de chaleur.
La fonte du diaphragme entraîne une augmentation de la température de l'air. court-circuit interneLa production d'énergie électrique augmente la production de chaleur.
Le résultat de cette utilisation destructive cumulative et se renforçant mutuellement est que le film antidéflagrant de la cellule de la batterie est rompu, que l'électrolyte est éjecté et que l'incendie se produit.
Court-circuit interne
En raison d'une mauvaise utilisation des batteries lithium-ion ou de défauts de qualité des batteries lithium, tels que les cristaux de branche causés par la surcharge et la surdécharge, les impuretés dans la poussière du processus de production de la batterie, etc., la croissance se détériore et le diaphragme se perce, ce qui provoque un micro-court-circuit, la libération de l'énergie électrique entraîne une augmentation de la température, et la réaction chimique du matériau provoquée par l'augmentation de la température élargit le chemin du court-circuit, formant un courant de court-circuit plus important. Une destruction cumulative se renforçant mutuellement se forme, conduisant à un emballement thermique.
Dans les cas d'incendie causés par l'emballement thermique des piles au lithium ces dernières années, la plupart d'entre eux sont d'abord causés par des courts-circuits internes, dont la chaleur et la température forment un environnement externe à haute température pour les piles adjacentes, déclenchant un emballement thermique des piles adjacentes, ce qui conduit à une réaction en chaîne de l'ensemble du PACK.
Mécanisme d'emballement thermique des batteries lithium-ion
Les piles au lithium sont constituées d'ions lithium intégrés dans du carbone (coke de pétrole et graphite) pour former une électrode négative.
Le matériau de la cathode est généralement LixCoO2, LixNiO2 et LixMnO4, et l'électrolyte est LiPF6+ carbonate de diéthylène (EC)+ carbonate de diméthyle (DMC).
Les principaux facteurs d'emballement thermique sont les dommages mécaniques, surcharge de la batteriecourt-circuit interne, etc. Sous l'influence de divers facteurs, la matière active à l'intérieur de la batterie lithium-ion a une réaction exothermique violente, et la température interne de la batterie dépasse la plage contrôlable, ce qui conduit finalement à un emballement thermique.
La réaction chimique exothermique dans les batteries lithium-ion comprend la décomposition du film d'interface électrolyte solide SEI, la réaction du matériau actif négatif et de l'électrolyte, la réaction du matériau actif négatif et du liant, et la réaction de décomposition par oxydation de l'électrolyte.
Comment prévenir l'emballement thermique des batteries lithium-ion ?
Les causes de l'emballement thermique sont multiples. Dans le cas d'un emballement thermique d'une batterie au lithium, la solution la plus courante consiste à améliorer les deux aspects de la protection externe et de l'amélioration interne. La protection externe fait principalement référence à la mise à niveau et à l'amélioration du système, et l'amélioration interne consiste à améliorer la batterie elle-même.
Protection extérieure
Composants PTC (coefficient de température positif)
Installer des composants PTC dans les batteries lithium-ion, en tenant compte de la pression et de la température à l'intérieur de la batterie, lorsque la batterie est chauffée en raison d'une surcharge, la résistance interne de la batterie augmente rapidement pour limiter le courant, de sorte que la tension entre les bornes positives et négatives est réduite à une tension sûre, et la fonction de protection automatique de la batterie est réalisée.
Soupape antidéflagrante
Lorsque la pression interne de la pile au lithium est trop élevée en raison d'une anomalie, la soupape antidéflagrante se déforme, le fil placé à l'intérieur de la pile pour la connexion est coupé et la pile au lithium s'éteint. Chargement de la batterie au lithium arrêts.
Système de refroidissement amélioré
Le système de gestion thermique est principalement responsable du contrôle de la température afin de s'assurer que la batterie est toujours à une température de fonctionnement raisonnable. En général, le système de gestion thermique est contrôlé par le contrôleur du véhicule. Lorsque la température de la batterie au lithium est anormale, la dissipation de la chaleur ou le chauffage est effectué à temps par le système de climatisation pour garantir la sécurité et la durée de vie de la batterie.
Feuille d'isolation de batterie en aérogel
Le coussin isolant en aérogel peut être assemblé entre la cellule de la batterie et le module. En cas de contrôle thermique de l'élément de batterie, l'aérogel à faible conductivité thermique peut jouer un rôle d'isolation thermique, retardant ou bloquant l'accident.
Lorsque la cellule de la batterie surchauffe et brûle, la feuille d'isolation en aérogel atteint la classe. Une performance incombustible peut également bloquer ou retarder efficacement la propagation de l'incendie, et peut garantir que la batterie ne brûle pas ou n'explose pas dans les 5 minutes, ce qui laisse suffisamment de temps pour s'échapper.
Amélioration interne
Améliorer le système de liquide électrolytique
Comme le sang des batteries lithium-ion, la électrolyte pour batterie lithium-ion détermine directement la performance de la batterieElle joue un rôle important dans la capacité de la batterie, sa plage de température de fonctionnement, ses performances en matière de cyclage et de sécurité.
À l'heure actuelle, les composants les plus largement utilisés dans le système électrolytique liquide des batteries lithium-ion commerciales sont le LiPF6, le carbonate de vinyle et le carbonate linéaire. Un grand nombre de solvants carbonatés à faible point d'ébullition et à faible point d'éclair dans l'électrolyte s'enflammeront à basse température, ce qui présente des risques importants pour la sécurité.
Par conséquent, de nombreux chercheurs tentent d'améliorer le système de liquide électrolytique afin d'améliorer la performance de sécurité de l'électrolyte. Si le matériau principal de la batterie ne subit pas de changements subversifs en peu de temps, l'amélioration de la stabilité de l'électrolyte est un moyen important de renforcer la sécurité de la batterie.
Matériau de l'électrode positive
Le matériau de la cathode de la batterie lithium-ion est instable lors de la charge tension de la batterie lithium-ion est supérieur à 4V, et il est facile de procéder à une décomposition thermique à des températures élevées pour libérer de l'oxygène, et l'oxygène continue de réagir avec les solvants organiques pour produire une grande quantité de chaleur et d'autres gaz, ce qui réduit la sécurité de la batterie. Par conséquent, la réaction entre anode de batterie lithium-ion et l'électrolyte est considérée comme la cause principale de l'emballement thermique.
Pour les matériaux d'électrodes positives, la modification du revêtement est une méthode courante pour améliorer leur sécurité. Des substances telles que MgO, A12O3, SiO2, TiO2, ZnO, SnO2, ZrO2 et autres sur la surface du matériau de l'électrode positive peuvent réduire la réaction entre l'électrode positive et l'électrolyte après l'élimination du Li+, tout en réduisant la libération d'oxygène de l'électrode positive, en inhibant le changement de phase du matériau de l'électrode positive, en améliorant sa stabilité structurelle, en réduisant le désordre du cation dans le réseau, et en réduisant le matériau de l'électrode positive. Cela permet de réduire la production de chaleur due aux réactions secondaires pendant le cycle.
Séparateur
À l'heure actuelle, le séparateur le plus largement utilisé dans les batteries lithium-ion commerciales reste les matériaux polyoléfines, dont les principaux inconvénients sont la rétraction thermique à haute température et le mauvais mouillage de l'électrolyte.
Afin de remédier à ces défauts, les chercheurs ont essayé de nombreuses méthodes, telles que la recherche d'un matériau thermostable ou l'ajout d'une petite quantité de poudre de nanoparticules d'Al2O3 ou de SiO2 au diaphragme, ce qui permet non seulement d'utiliser un diaphragme ordinaire, mais aussi d'améliorer la stabilité thermique du matériau de l'électrode positive.
Conclusion
La fréquence des accidents d'emballement thermique des batteries lithium-ion est choquante. Afin d'éviter les accidents liés à la sécurité des batteries lithium-ion, d'améliorer la sécurité des batteries lithium-ion et d'éviter l'emballement thermique, il est nécessaire d'adopter une approche multidimensionnelle de la conception de la formule de la batterie, de la conception structurelle et de la conception de la gestion thermique des packs de batteries afin d'améliorer conjointement la stabilité thermique des batteries lithium-ion et de réduire le risque d'emballement thermique.
Tess
Bonjour ! Je suis un rédacteur senior dans l'industrie de l'échange de batteries de véhicules à deux ou trois roues, avec de nombreuses années d'expérience dans l'écriture, engagé à fournir les meilleures connaissances, des services et un ensemble complet de solutions d'échange de batteries pour diverses industries.
Comprendre l'emballement thermique des batteries lithium-ion - causes, mécanisme et prévention
Emballement thermique d'une batterie lithium-ion L'emballement thermique est un problème de sécurité majeur dans les technologies modernes de stockage de l'énergie. Il est très important de comprendre le mécanisme de l'emballement thermique des batteries au lithium et de prendre des mesures préventives pour garantir la sécurité et la fiabilité du système de batteries.
Cet article présente les causes, le mécanisme et la prévention de l'emballement thermique des batteries au lithium-ion.
Qu'est-ce que l'emballement thermique dans les batteries lithium-ion ?
L'emballement thermique d'une batterie au lithium désigne le phénomène selon lequel le courant de la batterie au lithium et l'augmentation de la température interne se produisent de manière cumulative et se renforcent mutuellement, ce qui endommage la batterie au lithium. L'emballement thermique au sens étroit se réfère à une seule cellule. L'emballement thermique généralisé, dont le sujet se réfère à PACK.
En termes simples, l'emballement thermique est un processus de boucle de rétroaction énergétique positive : l'augmentation de la température entraîne une augmentation de la température du système, qui à son tour entraîne une augmentation de la température du système, qui à son tour entraîne une augmentation de la température du système, qui à son tour entraîne une augmentation de la température du système, et finalement un incendie ou une explosion.
Quelles sont les causes de l'emballement thermique des batteries lithium-ion ?
Court-circuit externe
Température externe élevée
La fonte du diaphragme entraîne une augmentation de la température de l'air. court-circuit interneLa production d'énergie électrique augmente la production de chaleur.
Le résultat de cette utilisation destructive cumulative et se renforçant mutuellement est que le film antidéflagrant de la cellule de la batterie est rompu, que l'électrolyte est éjecté et que l'incendie se produit.
Court-circuit interne
En raison d'une mauvaise utilisation des batteries lithium-ion ou de défauts de qualité des batteries lithium, tels que les cristaux de branche causés par la surcharge et la surdécharge, les impuretés dans la poussière du processus de production de la batterie, etc., la croissance se détériore et le diaphragme se perce, ce qui provoque un micro-court-circuit, la libération de l'énergie électrique entraîne une augmentation de la température, et la réaction chimique du matériau provoquée par l'augmentation de la température élargit le chemin du court-circuit, formant un courant de court-circuit plus important. Une destruction cumulative se renforçant mutuellement se forme, conduisant à un emballement thermique.
Dans les cas d'incendie causés par l'emballement thermique des piles au lithium ces dernières années, la plupart d'entre eux sont d'abord causés par des courts-circuits internes, dont la chaleur et la température forment un environnement externe à haute température pour les piles adjacentes, déclenchant un emballement thermique des piles adjacentes, ce qui conduit à une réaction en chaîne de l'ensemble du PACK.
Mécanisme d'emballement thermique des batteries lithium-ion
Les piles au lithium sont constituées d'ions lithium intégrés dans du carbone (coke de pétrole et graphite) pour former une électrode négative.
Le matériau de la cathode est généralement LixCoO2, LixNiO2 et LixMnO4, et l'électrolyte est LiPF6+ carbonate de diéthylène (EC)+ carbonate de diméthyle (DMC).
Les principaux facteurs d'emballement thermique sont les dommages mécaniques, surcharge de la batteriecourt-circuit interne, etc. Sous l'influence de divers facteurs, la matière active à l'intérieur de la batterie lithium-ion a une réaction exothermique violente, et la température interne de la batterie dépasse la plage contrôlable, ce qui conduit finalement à un emballement thermique.
La réaction chimique exothermique dans les batteries lithium-ion comprend la décomposition du film d'interface électrolyte solide SEI, la réaction du matériau actif négatif et de l'électrolyte, la réaction du matériau actif négatif et du liant, et la réaction de décomposition par oxydation de l'électrolyte.
Comment prévenir l'emballement thermique des batteries lithium-ion ?
Protection extérieure
Composants PTC (coefficient de température positif)
Soupape antidéflagrante
Système de refroidissement amélioré
Le système de gestion thermique est principalement responsable du contrôle de la température afin de s'assurer que la batterie est toujours à une température de fonctionnement raisonnable. En général, le système de gestion thermique est contrôlé par le contrôleur du véhicule. Lorsque la température de la batterie au lithium est anormale, la dissipation de la chaleur ou le chauffage est effectué à temps par le système de climatisation pour garantir la sécurité et la durée de vie de la batterie.
Feuille d'isolation de batterie en aérogel
Le coussin isolant en aérogel peut être assemblé entre la cellule de la batterie et le module. En cas de contrôle thermique de l'élément de batterie, l'aérogel à faible conductivité thermique peut jouer un rôle d'isolation thermique, retardant ou bloquant l'accident.
Lorsque la cellule de la batterie surchauffe et brûle, la feuille d'isolation en aérogel atteint la classe. Une performance incombustible peut également bloquer ou retarder efficacement la propagation de l'incendie, et peut garantir que la batterie ne brûle pas ou n'explose pas dans les 5 minutes, ce qui laisse suffisamment de temps pour s'échapper.
Amélioration interne
Améliorer le système de liquide électrolytique
Comme le sang des batteries lithium-ion, la électrolyte pour batterie lithium-ion détermine directement la performance de la batterieElle joue un rôle important dans la capacité de la batterie, sa plage de température de fonctionnement, ses performances en matière de cyclage et de sécurité.
À l'heure actuelle, les composants les plus largement utilisés dans le système électrolytique liquide des batteries lithium-ion commerciales sont le LiPF6, le carbonate de vinyle et le carbonate linéaire. Un grand nombre de solvants carbonatés à faible point d'ébullition et à faible point d'éclair dans l'électrolyte s'enflammeront à basse température, ce qui présente des risques importants pour la sécurité.
Par conséquent, de nombreux chercheurs tentent d'améliorer le système de liquide électrolytique afin d'améliorer la performance de sécurité de l'électrolyte. Si le matériau principal de la batterie ne subit pas de changements subversifs en peu de temps, l'amélioration de la stabilité de l'électrolyte est un moyen important de renforcer la sécurité de la batterie.
Matériau de l'électrode positive
Le matériau de la cathode de la batterie lithium-ion est instable lors de la charge tension de la batterie lithium-ion est supérieur à 4V, et il est facile de procéder à une décomposition thermique à des températures élevées pour libérer de l'oxygène, et l'oxygène continue de réagir avec les solvants organiques pour produire une grande quantité de chaleur et d'autres gaz, ce qui réduit la sécurité de la batterie. Par conséquent, la réaction entre anode de batterie lithium-ion et l'électrolyte est considérée comme la cause principale de l'emballement thermique.
Pour les matériaux d'électrodes positives, la modification du revêtement est une méthode courante pour améliorer leur sécurité. Des substances telles que MgO, A12O3, SiO2, TiO2, ZnO, SnO2, ZrO2 et autres sur la surface du matériau de l'électrode positive peuvent réduire la réaction entre l'électrode positive et l'électrolyte après l'élimination du Li+, tout en réduisant la libération d'oxygène de l'électrode positive, en inhibant le changement de phase du matériau de l'électrode positive, en améliorant sa stabilité structurelle, en réduisant le désordre du cation dans le réseau, et en réduisant le matériau de l'électrode positive. Cela permet de réduire la production de chaleur due aux réactions secondaires pendant le cycle.
Séparateur
À l'heure actuelle, le séparateur le plus largement utilisé dans les batteries lithium-ion commerciales reste les matériaux polyoléfines, dont les principaux inconvénients sont la rétraction thermique à haute température et le mauvais mouillage de l'électrolyte.
Afin de remédier à ces défauts, les chercheurs ont essayé de nombreuses méthodes, telles que la recherche d'un matériau thermostable ou l'ajout d'une petite quantité de poudre de nanoparticules d'Al2O3 ou de SiO2 au diaphragme, ce qui permet non seulement d'utiliser un diaphragme ordinaire, mais aussi d'améliorer la stabilité thermique du matériau de l'électrode positive.
Conclusion