Qu’est-ce que l’emballement thermique dans le stockage d’énergie ?

Ces dernières années, avec la croissance explosive de la demande en matière de stockage d'énergie, la sécurité de ce dernier a de nouveau attiré l'attention.

Parmi de nombreux système de stockage d'énergie par batterie L'analyse statistique des incidents de sécurité a révélé que les principaux facteurs à l'origine de ces incidents sont : l'emballement thermique des batteries lithium-ion et les défauts de composants individuels. cellules de batterie , dommages mécaniques, surchauffe ou courts-circuits externes.

L'emballement thermique est le terme le plus connu et le plus recherché. Mais qu'est-ce que l'emballement thermique exactement ?

L’emballement thermique se produit lorsqu’une batterie électrochimique voit sa température augmenter de manière incontrôlable par auto-échauffement.

Lorsque la chaleur générée par une batterie en emballement thermique dépasse sa capacité de dissipation, l'accumulation de chaleur peut entraîner un incendie, une explosion et un dégagement de gaz. Si l'emballement thermique d'un élément de la batterie provoque l'emballement thermique d'autres éléments du système, on parle de propagation de l'emballement thermique.

Quelles sont donc les causes de l'emballement thermique ?

Les facteurs induisant l'emballement thermique dans batteries lithium-ion Les dommages aux batteries au lithium peuvent être classés en trois catégories : dommages mécaniques (perforation, écrasement, impact externe), dommages électriques (surcharge, décharge excessive, courts-circuits) et dommages thermiques (défaillance du système de gestion thermique). Les dommages mécaniques peuvent facilement provoquer des courts-circuits internes, entraînant un emballement thermique. Les dommages électriques, tels que la surcharge et la décharge excessive, peuvent déclencher des réactions parasites internes, provoquant une surchauffe localisée des cellules et un emballement thermique. Les courts-circuits externes constituent un état dangereux de décharge rapide : les courants extrêmement élevés entraînent une hausse rapide de la température et peuvent même faire fondre les languettes de la batterie. En cas de dommages thermiques, le système de gestion thermique tombe souvent en panne, provoquant un rétrécissement et une décomposition du séparateur interne, et finalement des courts-circuits internes et un emballement thermique.

De plus, l'état de la batterie elle-même est un facteur important de déclenchement de l'emballement thermique. L'augmentation du nombre de cycles de charge-décharge et l'introduction d'impuretés lors de la formation de dendrites peuvent engendrer des réactions secondaires indésirables, conduisant à la formation de dendrites métalliques susceptibles de perforer le séparateur et de provoquer des courts-circuits internes localisés.

Les recherches sur l'emballement thermique des batteries dû à une surchauffe s'appuient sur le modèle électrochimique-thermique couplé de surcharge et d'échappement thermique des batteries lithium-ion, établi dans la littérature. Ces batteries commencent généralement à s'échauffer spontanément lorsque leur température atteint 80 °C. Si la gestion thermique de la batterie ne parvient pas à dissiper efficacement la chaleur excédentaire, la température augmente de manière incontrôlée, se propageant des cellules individuelles à l'ensemble de la batterie et déclenchant une série de réactions secondaires qui aboutissent à un emballement thermique.

La surchauffe ne survient pas spontanément au sein d'une batterie. Elle est généralement provoquée par des contraintes mécaniques ou d'autres facteurs qui élèvent la température interne de la batterie jusqu'à un seuil critique, entraînant un échauffement localisé et une surchauffe, laquelle peut à son tour provoquer une surchauffe et une combustion spontanée.

Parallèlement, l'emballement thermique est également utilisé comme méthode de recherche pour étudier le processus d'emballement des batteries expérimentales et détecter les caractéristiques de sécurité lors de cet emballement. En 1999, KITOH et al. ont mené des recherches sur la surveillance des caractéristiques de sécurité de l'emballement thermique dans les batteries de puissance à haute densité énergétique, en se basant sur des méthodes de chauffage externe. Depuis lors, la méthode de l'énergie adiabatique est largement utilisée pour tester le seuil de température d'emballement thermique des batteries lithium-ion. Les recherches actuelles sur les dommages thermiques se concentrent principalement sur la combustion des batteries induite par le rayonnement externe. Liu Mengmeng a établi un modèle de génération de chaleur transitoire multi-endogène et un modèle de couplage électrochimique-thermique, et a étudié les caractéristiques de sécurité des batteries après combustion spontanée causée par un dommage thermique, en se basant sur la méthode de chauffage par rayonnement. Ils ont constaté que la combustion de la batterie peut être divisée en trois étapes : combustion par jet, combustion stable et combustion par jet secondaire. LI et al. ont étudié l'effet du courant de décharge sur la température dans le contexte d'un emballement thermique causé par un dommage thermique. Ils ont constaté qu'à courant de décharge constant, la perte de masse, les paramètres de sécurité, la température d'amorçage de l'emballement thermique et la température maximale pendant l'emballement thermique dépendent tous de la capacité de la batterie.

Recherche sur l'emballement thermique des batteries causé par une mauvaise utilisation de l'électricité : Les causes courantes d'emballement thermique des batteries comprennent la surcharge et la décharge excessive, les courts-circuits internes et les courts-circuits externes.

(1) Surcharge et décharge excessive : Au cours d'un cycle de charge-décharge normal d'une batterie lithium-ion, le BMS ( Système de gestion de la batterie Le système de gestion de batterie (BMS) bloque le courant de charge en fonction de l'état de charge. En cas de défaillance du BMS, une surcharge peut facilement entraîner de graves accidents de combustion spontanée. Si la charge se poursuit après avoir atteint le seuil d'état de charge (SOC), le lithium métallique adhère à la surface du matériau actif de l'électrode négative. Le lithium adhéré réagit avec l'électrolyte à une certaine température, libérant une grande quantité de gaz à haute température. Simultanément, le matériau actif de l'électrode positive commence à fondre en raison d'une délithiation excessive et d'une importante différence de potentiel avec l'électrode négative. Lorsque le potentiel de l'électrode positive dépasse la tension de sécurité de l'électrolyte, ce dernier subit également une réaction d'oxydation avec le matériau actif de l'électrode positive. La surcharge provoque également une série de réactions secondaires telles que l'échauffement ohmique et le dégagement de gaz, aggravant le risque d'emballement thermique. Le Dr Ye Jiana a découvert que les gaz libérés lors d'une surcharge des batteries lithium-ion sont principalement composés de CO₂, CO, H₂, CH₄, C₂H₆ et C₂H₄, et que le volume de gaz et la chaleur augmentent avec l'intensité du courant de charge. Des expériences utilisant un calorimètre accéléré et un testeur de cycles de batterie combinés ont démontré qu'une surcharge à courant et tension constants est bien plus dangereuse qu'une surcharge à courant constant continu. Ren et al., se basant sur les performances de surcharge de cathodes en matériaux composites et d'anodes en graphite dans différents environnements expérimentaux, ont examiné de manière exhaustive les effets du courant de charge, des matériaux séparateurs et des systèmes de dissipation thermique. Leurs recherches ont révélé que le dégagement de chaleur lors d'une surcharge de batteries NCM n'est pas significativement lié au courant de charge ; le point de fusion des différents matériaux séparateurs, ainsi que la déformation et le gonflement de la batterie, sont les principaux facteurs contribuant à l'emballement thermique des batteries lithium-ion. Wang et al. ont analysé le chemin de propagation thermique et le chemin d'échappement des gaz à haute température des batteries au lithium en conditions de surcharge, et ont constaté que la chaleur générée par la réaction du lithium déposé avec l'électrolyte pendant la surcharge représente plus de 43 %. Zhang et al. Ils ont étudié le mécanisme de dégradation de la capacité de la batterie en se basant sur la tension différentielle de capacité incrémentale, et ont constaté qu'une seule surcharge a peu d'effet sur la capacité de la batterie, mais qu'après une surcharge jusqu'au point de délithiation du matériau actif de l'électrode positive, elle affecte gravement la stabilité thermique du bloc-batterie.

La décharge excessive est beaucoup moins dommageable ; une décharge excessive précoce a peu de chances de provoquer un emballement thermique de la batterie, mais elle affecte sa capacité. Zhou et al. ont étudié les caractéristiques de décharge des batteries lithium-ion ternaires nickel-cobalt-manganèse (NCM) après une décharge excessive. Lors d'une décharge statique, le degré de court-circuit interne de la batterie lithium-ion NCM diminue, la résistance augmente et le courant de décharge diminue. Les expériences montrent que plus la profondeur de décharge est importante, plus la dégradation des cellules individuelles au sein de la batterie est grande. Ma et al. ont constaté, lors d'expériences de décharge excessive de batteries lithium-ion, que celle-ci ne modifie pas la structure du matériau actif de la batterie, mais qu'elle provoque la dissolution du collecteur de courant de l'électrode négative, augmente l'épaisseur du film SEI et accélère le vieillissement de la batterie.

Court-circuit externe

Les courts-circuits externes constituent également une cause importante d'emballement thermique dans les batteries de puissance. Chen et al. ont établi un nouveau modèle de couplage électrothermique basé sur un modèle de génération, de distribution et de propagation de la chaleur. Des études montrent que la température maximale des batteries lithium-ion en cas de court-circuit externe se situe au bord de la languette. Ma et al. ont constaté que, dans ces conditions, la chaleur générée par les réactions parasites est bien inférieure à celle générée par les processus électrochimiques. De plus, la génération de chaleur électrochimique est positivement corrélée à l'état de charge initial (SOC) mais négativement corrélée à la contrainte thermique maximale.

Court-circuit interne

Les courts-circuits internes, qui se produisent à l'intérieur de la batterie, sont difficiles à détecter pour le système de gestion de batterie (BMS) et constituent une cause majeure d'emballement thermique des batteries lithium-ion. En cas de surcharge ou de décharge excessive, des dendrites de lithium se développent progressivement jusqu'à pénétrer le film SEI, provoquant un court-circuit interne et entraînant rapidement une hausse incontrôlable de la température et un emballement thermique. Par ailleurs, des dommages au réseau cristallin, causés par des procédés de fabrication imparfaits ou par des bavures dans le collecteur de courant, peuvent également provoquer des courts-circuits internes.

Huang et al. ont créé un court-circuit interne en intégrant un alliage à bas point de fusion dans le séparateur et en le perforant. Ils ont utilisé un microthermocouple de type K pour mesurer la température locale et ont recueilli des données sur la distribution de la chaleur induite par ce court-circuit. Zhang et al. ont intégré un alliage nickel-titane à faible seuil de déformation dans le séparateur ou le collecteur de courant et l'ont chauffé jusqu'à déformation et perforation du séparateur, provoquant ainsi un court-circuit interne. Les expériences ont révélé que la principale source de chaleur à l'origine de l'emballement thermique se produisait lors de la réaction entre le collecteur de courant positif et l'électrode négative, entraînant un court-circuit et une élévation rapide de la température. Les courts-circuits internes entre les électrodes positive et négative, hormis une carbonisation partielle, n'ont pas provoqué d'emballement thermique important.

Recherche sur l'emballement thermique des batteries dû à une mauvaise utilisation mécanique

Les batteries automobiles subissent inévitablement des défaillances mécaniques suite à des accidents lors de leur utilisation. Si la batterie est déformée par des forces extérieures telles qu'une perforation ou une compression, cela peut engendrer des modifications structurelles internes, voire un contact direct entre les électrodes positive et négative dans des conditions de contrainte extrême, provoquant un court-circuit interne et un emballement thermique. Par conséquent, la recherche sur l'emballement thermique des batteries dû à des contraintes mécaniques est essentielle. Des chercheurs tels que Fan Wenjie et Xu Huiyong ont mené des études sur ce phénomène en s'appuyant sur la modélisation par éléments finis et l'analyse de surveillance numérique.

WANG et al. ont mené des recherches sur les variations de la section transversale d'un pack de batteries lithium-ion souples après une collision. Des expériences de perforation ont révélé l'apparition de nombreuses déformations localisées et de fractures de cisaillement au sein du pack lors du processus de perforation. La déchirure du collecteur de courant et du matériau actif de l'électrode positive, ainsi que la perforation du séparateur due à un réarrangement structurel interne du pack, étaient les causes principales de l'emballement thermique par court-circuit interne. Lamb et al. ont étudié l'état de déformation de batteries lithium-ion cylindriques 18650 en conditions de perforation à l'aide de la tomographie assistée par ordinateur (TDM). Leurs expériences ont révélé que le phénomène de pénétration entre les électrodes positive et négative exacerbe les courts-circuits internes et que la feuille d'aluminium fixée fond lors du court-circuit, formant de nombreuses billes métalliques au niveau de la fissure de perforation. Li et al. ont établi des modèles d'analyse par éléments finis pour différents états de contrainte mécanique (perforation et compression) et ont développé un algorithme d'apprentissage pour prédire le processus d'emballement thermique des batteries à partir de paramètres issus de batteries usagées. Ils ont analysé l'impact des contraintes mécaniques sur la sécurité des batteries lithium-ion à partir de huit types de paramètres, notamment la force d'impact, l'angle de collision et l'amplitude de déformation, réduisant ainsi considérablement la charge de calcul.

Les contraintes mécaniques subies par les batteries en conditions réelles sont bien plus complexes que de simples tests de perforation ou de compression. Les simulations expérimentales, à elles seules, ne permettent pas de comprendre pleinement les caractéristiques de sécurité de ces contraintes. La solution fondamentale réside dans l'optimisation du positionnement des batteries, la mise en place de systèmes de gestion de batterie (BMS) fiables et l'optimisation de la conception globale du châssis du véhicule lors de la conception des batteries de puissance, afin de minimiser leur déformation et leur compression en cas de collision.