Les batteries au lithium constituent le système de batterie qui connaît la croissance la plus rapide au cours des 20 dernières années et sont largement utilisées dans les produits électroniques.La récente explosion des téléphones portables et des ordinateurs portables est essentiellement une explosion de batteries.À quoi ressemblent les batteries de téléphones portables et d’ordinateurs portables, comment elles fonctionnent, pourquoi elles explosent et comment les éviter.
Les effets secondaires commencent à se produire lorsque la pile au lithium est surchargée à une tension supérieure à 4,2 V.Plus la pression de surcharge est élevée, plus le risque est élevé.À des tensions supérieures à 4,2 V, lorsqu’il reste moins de la moitié des atomes de lithium dans le matériau de la cathode, la cellule de stockage s’effondre souvent, provoquant une baisse permanente de la capacité de la batterie.Si la charge continue, les métaux du lithium ultérieurs s'accumuleront à la surface du matériau de la cathode, car la cellule de stockage de la cathode est déjà pleine d'atomes de lithium.Ces atomes de lithium développent des cristaux dendritiques à partir de la surface de la cathode en direction des ions lithium.Les cristaux de lithium traverseront le papier du diaphragme, court-circuitant l'anode et la cathode.Parfois, la batterie explose avant qu'un court-circuit ne se produise.En effet, pendant le processus de surcharge, des matériaux tels que les électrolytes se fissurent pour produire un gaz qui fait gonfler et éclater le boîtier de la batterie ou la soupape de pression, permettant à l'oxygène de réagir avec les atomes de lithium accumulés à la surface de l'électrode négative et d'exploser.
Par conséquent, lors du chargement d’une batterie au lithium, il est nécessaire de définir la limite supérieure de tension afin de prendre en compte la durée de vie, la capacité et la sécurité de la batterie.La limite supérieure idéale de la tension de charge est de 4,2 V.Il devrait également y avoir une limite de tension inférieure lorsque les cellules au lithium se déchargent.Lorsque la tension de la cellule tombe en dessous de 2,4 V, une partie du matériau commence à se décomposer.Et comme la batterie se déchargera automatiquement, plus la tension sera basse, plus il est préférable de ne pas décharger 2,4 V pour arrêter.De 3,0V à 2,4V, les batteries au lithium ne libèrent qu'environ 3% de leur capacité.Par conséquent, 3,0 V est une tension de coupure de décharge idéale.Lors de la charge et de la décharge, en plus de la limite de tension, la limite de courant est également nécessaire.Lorsque le courant est trop élevé, les ions lithium n’ont pas le temps de pénétrer dans la cellule de stockage, vont s’accumuler à la surface du matériau.
À mesure que ces ions gagnent des électrons, ils cristallisent des atomes de lithium à la surface du matériau, ce qui peut être aussi dangereux qu'une surcharge.Si le boîtier de la batterie se brise, il explosera.Par conséquent, la protection de la batterie lithium-ion doit au moins inclure la limite supérieure de tension de charge, la limite inférieure de tension de décharge et la limite supérieure de courant.En général, en plus du noyau de la batterie au lithium, il y aura une plaque de protection, qui sert principalement à assurer ces trois protections.Cependant, la plaque de protection de ces trois protections n'est évidemment pas suffisante, les explosions mondiales de batteries au lithium ou fréquentes.Pour garantir la sécurité des systèmes de batteries, une analyse plus minutieuse de la cause des explosions de batteries est nécessaire.
Cause de l'explosion :
1. Grande polarisation interne ;
2. La pièce polaire absorbe l'eau et réagit avec le tambour de gaz électrolytique ;
3. La qualité et les performances de l’électrolyte lui-même ;
4. La quantité de liquide injecté ne peut pas répondre aux exigences du processus ;
5. Les performances du joint de soudage laser sont médiocres dans le processus de préparation et des fuites d'air sont détectées.
6. La poussière et la poussière des pièces polaires sont faciles à provoquer en premier un microcourt-circuit ;
7. Plaque positive et négative plus épaisse que la gamme de processus, difficile à décortiquer ;
8. Problème d'étanchéité de l'injection de liquide, mauvaises performances d'étanchéité de la bille d'acier conduisant au fût de gaz ;
9. La paroi de la coque du matériau entrant est trop épaisse, la déformation de la coque affecte l'épaisseur ;
10. La température ambiante élevée à l’extérieur est également la principale cause de l’explosion.
Le type d'explosion
Analyse du type d'explosion Les types d'explosion du noyau de la batterie peuvent être classés en court-circuit externe, court-circuit interne et surcharge.L'externe fait référence ici à l'extérieur de la cellule, y compris le court-circuit provoqué par la mauvaise conception de l'isolation de la batterie interne.Lorsqu'un court-circuit se produit à l'extérieur de la cellule et que les composants électroniques ne parviennent pas à couper la boucle, la cellule génère une chaleur élevée à l'intérieur, provoquant la vaporisation d'une partie de l'électrolyte, la coque de la batterie.Lorsque la température interne de la batterie atteint 135 degrés Celsius, le papier diaphragme de bonne qualité fermera le trou fin, la réaction électrochimique est terminée ou presque terminée, le courant plonge et la température chute également lentement, évitant ainsi l'explosion. .Mais un papier à membrane avec un faible taux de fermeture, ou qui ne se ferme pas du tout, gardera la batterie au chaud, vaporisera davantage d'électrolyte et finira par faire éclater le boîtier de la batterie, ou même augmenter la température de la batterie au point où le matériau brûle. et explose.Le court-circuit interne est principalement causé par les bavures de la feuille de cuivre et de la feuille d'aluminium perçant le diaphragme, ou par les cristaux dendritiques des atomes de lithium perçant le diaphragme.
Ces minuscules métaux en forme d’aiguilles peuvent provoquer des microcourts-circuits.Parce que l'aiguille est très fine et a une certaine valeur de résistance, le courant n'est pas nécessairement très important.Les bavures de la feuille de cuivre et d'aluminium sont causées lors du processus de production.Le phénomène observé est que la batterie fuit trop rapidement, et la plupart d'entre elles peuvent être éliminées par les usines de cellules ou les usines d'assemblage.Et comme les bavures sont petites, elles brûlent parfois, ramenant la batterie à la normale.Par conséquent, la probabilité d’explosion causée par un micro-court-circuit n’est pas élevée.Une telle vue, peut souvent charger de l'intérieur de chaque usine de cellules, la tension sur la batterie faible et défectueuse, mais rarement une explosion, obtient un support statistique.Par conséquent, l’explosion provoquée par un court-circuit interne est principalement causée par une surcharge.Parce qu'il y a des cristaux de lithium métalliques en forme d'aiguilles partout sur la feuille d'électrode arrière surchargée, les points de perforation sont partout et des micro-courts-circuits se produisent partout.Par conséquent, la température de la cellule augmentera progressivement et, finalement, la température élevée électrolytiquera le gaz.Cette situation, que la température soit trop élevée pour provoquer l'explosion de la combustion du matériau, ou que la coque ait été brisée pour la première fois, de sorte que l'air présent et l'oxydation féroce du lithium métal, marquent la fin de l'explosion.
Mais une telle explosion, provoquée par un court-circuit interne provoqué par une surcharge, ne se produit pas forcément au moment de la charge.Il est possible que les consommateurs arrêtent de charger et retirent leur téléphone avant que la batterie ne soit suffisamment chaude pour brûler des matériaux et produire suffisamment de gaz pour faire éclater le boîtier de la batterie.La chaleur générée par les nombreux courts-circuits réchauffe lentement la batterie et, au bout d'un certain temps, explose.La description courante des consommateurs est qu'ils ont pris le téléphone et ont trouvé qu'il était très chaud, puis l'ont jeté et ont explosé.Sur la base des types d'explosion ci-dessus, nous pouvons nous concentrer sur la prévention des surcharges, la prévention des courts-circuits externes et améliorer la sécurité de la cellule.Parmi eux, la prévention des surcharges et des courts-circuits externes appartient à la protection électronique, qui est étroitement liée à la conception du système de batterie et du bloc-batterie.Le point clé de l’amélioration de la sécurité des cellules est la protection chimique et mécanique, qui entretient d’excellentes relations avec les fabricants de cellules.
Problème caché en toute sécurité
La sécurité de la batterie lithium-ion n'est pas seulement liée à la nature du matériau de la cellule elle-même, mais également à la technologie de préparation et à l'utilisation de la batterie.Les batteries de téléphones portables explosent fréquemment, d’une part à cause d’une défaillance du circuit de protection, mais surtout, l’aspect matériel n’a pas fondamentalement résolu le problème.
Le matériau actif de la cathode de lithium acide cobalt est un système très mature dans les petites batteries, mais après une charge complète, il reste encore beaucoup d'ions lithium à l'anode, en cas de surcharge, les ions lithium restant dans l'anode devraient affluer vers l'anode. , se forme sur la dendrite de la cathode en utilisant le corollaire de surcharge de la batterie au lithium-acide cobalt, même dans le processus normal de charge et de décharge, il peut également y avoir un excès d'ions lithium libres sur l'électrode négative pour former des dendrites.L'énergie spécifique théorique du matériau cobalate de lithium est supérieure à 270 mah/g, mais la capacité réelle n'est que la moitié de la capacité théorique pour assurer ses performances de cyclage.En cours d'utilisation, pour une raison quelconque (telle qu'un endommagement du système de gestion) et que la tension de charge de la batterie est trop élevée, la partie restante du lithium dans l'électrode positive sera éliminée, à travers l'électrolyte jusqu'à la surface de l'électrode négative. sous forme de dépôt de lithium métallique pour former des dendrites.Les dendrites percent le diaphragme, créant un court-circuit interne.
Le composant principal de l’électrolyte est le carbonate, qui a un faible point d’éclair et un faible point d’ébullition.Il brûlera ou même explosera dans certaines conditions.Si la batterie surchauffe, cela entraînera l’oxydation et la réduction du carbonate dans l’électrolyte, ce qui entraînera la production de beaucoup de gaz et de chaleur.S'il n'y a pas de soupape de sécurité ou si le gaz n'est pas libéré par la soupape de sécurité, la pression interne de la batterie augmentera fortement et provoquera une explosion.
La batterie lithium-ion à électrolyte polymère ne résout pas fondamentalement le problème de sécurité, de l'acide lithium-cobalt et de l'électrolyte organique sont également utilisés, et l'électrolyte est colloïdal, pas facile à fuir, se produira une combustion plus violente, la combustion est le plus gros problème de sécurité de la batterie polymère.
Il y a aussi quelques problèmes avec l'utilisation de la batterie.Un court-circuit externe ou interne peut produire quelques centaines d'ampères de courant excessif.Lorsqu'un court-circuit externe se produit, la batterie décharge instantanément un courant important, consommant une grande quantité d'énergie et générant une énorme chaleur sur la résistance interne.Le court-circuit interne forme un courant important et la température augmente, provoquant la fonte du diaphragme et l'expansion de la zone de court-circuit, formant ainsi un cercle vicieux.
Batterie au lithium-ion afin d'obtenir une tension de fonctionnement élevée de 3 ~ 4,2 V pour une seule cellule, doit prendre la décomposition de la tension est supérieure à 2 V d'électrolyte organique, et l'utilisation d'électrolyte organique dans des conditions de courant élevé et de température élevée sera électrolysée, électrolytique Le gaz, entraînant une augmentation de la pression interne, risque de percer sérieusement la coque.
Une surcharge peut précipiter le lithium métallique, en cas de rupture de coque, contact direct avec l'air, entraînant une combustion, en même temps un électrolyte d'allumage, une forte flamme, une expansion rapide du gaz, une explosion.
De plus, pour la batterie lithium-ion de téléphone portable, en raison d'une mauvaise utilisation, telle que l'extrusion, l'impact et la prise d'eau, entraînent une expansion, une déformation et une fissuration de la batterie, etc., ce qui entraînera un court-circuit de la batterie, lors du processus de décharge ou de charge. par explosion de chaleur.
Sécurité des batteries au lithium :
Afin d'éviter une décharge excessive ou une surcharge causée par une mauvaise utilisation, un triple mécanisme de protection est installé dans une seule batterie lithium-ion.L'une est l'utilisation d'éléments de commutation, lorsque la température de la batterie augmente, sa résistance augmente, lorsque la température est trop élevée, elle arrête automatiquement l'alimentation électrique ;La seconde consiste à choisir le matériau de séparation approprié, lorsque la température atteint une certaine valeur, les pores microniques de la cloison se dissolvent automatiquement, de sorte que les ions lithium ne puissent pas passer, la réaction interne de la batterie s'arrête ;La troisième consiste à installer la soupape de sécurité (c'est-à-dire le trou d'aération sur le dessus de la batterie).Lorsque la pression interne de la batterie atteint une certaine valeur, la soupape de sécurité s'ouvre automatiquement pour assurer la sécurité de la batterie.
Parfois, bien que la batterie elle-même dispose de mesures de contrôle de sécurité, mais pour certaines raisons causées par une défaillance du contrôle, le manque de soupape de sécurité ou le gaz n'a pas le temps de s'échapper par la soupape de sécurité, la pression interne de la batterie augmentera fortement et provoquera une explosion.Généralement, l’énergie totale stockée dans les batteries lithium-ion est inversement proportionnelle à leur sécurité.À mesure que la capacité de la batterie augmente, le volume de la batterie augmente également, ses performances de dissipation thermique se détériorent et le risque d'accident augmentera considérablement.Pour les batteries lithium-ion utilisées dans les téléphones portables, l'exigence de base est que la probabilité d'accidents de sécurité soit inférieure à un sur un million, ce qui constitue également la norme minimale acceptable pour le public.Pour les batteries lithium-ion de grande capacité, notamment pour les automobiles, il est très important d’adopter une dissipation thermique forcée.
La sélection de matériaux d'électrode plus sûrs, d'oxyde de lithium et de manganèse, en termes de structure moléculaire pour garantir qu'en état de pleine charge, les ions lithium de l'électrode positive ont été complètement intégrés dans le trou de carbone négatif, évitant fondamentalement la génération de dendrites.Dans le même temps, la structure stable de l'acide lithium-manganèse, de sorte que ses performances d'oxydation sont bien inférieures à celles de l'acide lithium-cobalt, température de décomposition de l'acide lithium-cobalt supérieure à 100 ℃, même en raison d'un court-circuit externe externe (aiguilletage), externe Les courts-circuits et les surcharges peuvent également éviter complètement le risque de combustion et d'explosion provoqué par le lithium métallique précipité.
De plus, l’utilisation de manganate de lithium peut également réduire considérablement les coûts.
Pour améliorer les performances de la technologie de contrôle de sécurité existante, nous devons d'abord améliorer les performances de sécurité du cœur de la batterie lithium-ion, ce qui est particulièrement important pour les batteries de grande capacité.Choisissez un diaphragme avec de bonnes performances de fermeture thermique.Le rôle du diaphragme est d'isoler les pôles positifs et négatifs de la batterie tout en permettant le passage des ions lithium.Lorsque la température augmente, la membrane se ferme avant de fondre, élevant la résistance interne à 2 000 ohms et arrêtant la réaction interne.Lorsque la pression ou la température interne atteint la norme prédéfinie, la vanne antidéflagrante s'ouvre et commence à relâcher la pression pour éviter une accumulation excessive de gaz interne, une déformation et éventuellement conduire à l'éclatement de la coque.Améliorez la sensibilité du contrôle, sélectionnez des paramètres de contrôle plus sensibles et adoptez le contrôle combiné de plusieurs paramètres (ce qui est particulièrement important pour les batteries de grande capacité).Pour les batteries lithium-ion de grande capacité, il s'agit d'une composition de cellules multiples en série/parallèle, telle que la tension de l'ordinateur portable est supérieure à 10 V, de grande capacité, en utilisant généralement 3 à 4 séries de batteries simples peuvent répondre aux exigences de tension, puis 2 à 3 séries de batterie parallèle, afin d'assurer une grande capacité.
La batterie haute capacité elle-même doit être équipée d'une fonction de protection relativement parfaite, et deux types de modules de circuits imprimés doivent également être pris en compte : le module ProtecTIonBoardPCB et le module SmartBatteryGaugeBoard.L'ensemble de la conception de protection de la batterie comprend : un circuit intégré de protection de niveau 1 (empêche la surcharge, la décharge excessive et les courts-circuits de la batterie), un circuit intégré de protection de niveau 2 (empêche une seconde surtension), un fusible, un indicateur LED, une régulation de température et d'autres composants.Dans le cadre du mécanisme de protection à plusieurs niveaux, même en cas de charge anormale du chargeur et de l'ordinateur portable, la batterie de l'ordinateur portable ne peut être commutée qu'en état de protection automatique.Si la situation n'est pas grave, il fonctionne souvent normalement après avoir été branché et retiré sans explosion.
La technologie sous-jacente utilisée dans les batteries lithium-ion utilisées dans les ordinateurs portables et les téléphones portables est dangereuse et des structures plus sûres doivent être envisagées.
En conclusion, avec les progrès de la technologie des matériaux et l’approfondissement de la compréhension des exigences relatives à la conception, à la fabrication, aux tests et à l’utilisation des batteries lithium-ion, l’avenir des batteries lithium-ion deviendra plus sûr.
Heure de publication : 07 mars 2022