Classification des pannes de batteries au lithium et causes de panne

Dans un contexte de crise énergétique et de pollution environnementale, Les batteries lithium-ion, une source d'énergie idéale pour le développement au 21e siècle, ont reçu une attention croissante. Cependant, certains phénomènes de défaillance peuvent survenir lors de la production, du transport et de l'utilisation des batteries lithium-ion. De plus, la défaillance d'une seule batterie affectera les performances et la fiabilité de l'ensemble de la batterie, voire entraînera l'arrêt du fonctionnement de la batterie ou d'autres problèmes de sécurité.

Ces dernières années, de nombreux incendies et explosions liés aux batteries se sont produits dans le pays et à l’étranger : l’incendie de la voiture électrique Tesla Model S aux États-Unis, l’incendie de la batterie du téléphone portable Samsung Note7, l’incendie de l’usine d’électronique Forte à Wuhan, l’incendie de l’usine Samsung SDI à Tianjin, etc…

1. Classification des batterie au lithium échec

Afin d'éviter les problèmes de dégradation des performances et de sécurité des batteries mentionnés ci-dessus, il est impératif d'effectuer une analyse de défaillance des batteries au lithium. La défaillance d'une batterie au lithium fait référence à la dégradation des performances de la batterie ou à une utilisation anormale causée par certaines raisons essentielles spécifiques, et elle est divisée en défaillance des performances et défaillance de la sécurité.

Les défaillances de performances comprennent la baisse de capacité, l'atténuation de la durée de vie du cycle, une tension anormale, un courant anormal, une résistance interne excessive, une autodécharge, un vieillissement à haute et basse température, de faibles performances de débit et une mauvaise cohérence.

Les défaillances de sécurité comprennent l'emballement thermique, le court-circuit, la fuite de liquide, la flatulence, l'évolution du lithium, la déformation par dilatation et la perforation (écrasement).

2. Raisons de la défaillance des batteries au lithium

Les raisons de la défaillance des batteries au lithium peuvent être divisées en causes internes et externes.

La cause interne se réfère principalement à la nature des changements physiques et chimiques de la défaillance. L'échelle de recherche peut être remontée aux échelles atomique et moléculaire pour étudier les changements thermodynamiques et dynamiques du processus de défaillance.

Les facteurs externes comprennent l’impact, l’acupuncture, la corrosion, la combustion à haute température, les dommages causés par l’homme et d’autres facteurs externes.

3. Analyse des performances et des mécanismes de défaillance courants des batteries au lithium

Défaillance de capacité

« Dans le test de durée de vie standard, la capacité de décharge ne doit pas être inférieure à 90% de la capacité initiale lorsque le nombre de cycles atteint 500 fois. Ou la capacité de décharge ne doit pas être inférieure à 80% de la capacité initiale lorsque le nombre de cycles si elle se situe dans la plage de cycle standard A l'intérieur, le phénomène de forte baisse de capacité est un échec d'atténuation de capacité.

La cause profonde de capacité de la batterie La défaillance par désintégration est une défaillance des matériaux, étroitement liée à des facteurs objectifs tels que le processus de fabrication de la batterie et l'environnement d'utilisation de la batterie. D'un point de vue matériel, les principales raisons de la défaillance sont la défaillance structurelle du matériau de l'électrode positive, la croissance transitoire de SEI sur la surface de l'électrode négative, la décomposition et la détérioration de l'électrolyte, la corrosion du collecteur de courant et les traces d'impuretés du système.

Défaillance structurelle du matériau de l'électrode positive : La défaillance structurelle du matériau d'électrode positive comprend l'écrasement des particules de matériau d'électrode positive, la transition de phase irréversible, le désordre du matériau, etc. Pendant le processus de charge et de décharge de LiMn2O4, la structure de LiMn2O4 sera déformée en raison de l'effet Jahn-Teller, et les particules peuvent même être brisées, provoquant la défaillance du contact électrique entre les particules. Le matériau LiMn1,5Ni0,5O4 subira une transition de phase de « système cristallin tétragonal-cubique » pendant le processus de charge et de décharge. Le matériau LiCoO2 entrera dans la couche de Li en raison de la transition de Li pendant la charge et processus de décharge, ce qui rend la structure en couches chaotique. , Restreignant sa capacité.

Défaillance du matériau de l'anode : La défaillance de l'électrode en graphite se produit principalement sur la surface du graphite. La surface du graphite réagit avec l'électrolyte pour produire la phase d'interface électrolyte solide (SEI). Une croissance excessive entraînera une diminution de la lithium La teneur en ions dans le système interne de la batterie entraîne une diminution de la capacité. La défaillance des matériaux d'anode en silicium est principalement due aux problèmes de performances du cycle causés par leur énorme expansion volumique.

Défaillance de l'électrolyte : le LiPF6 a une faible stabilité et se décompose facilement, ce qui réduit la quantité de Li+ migrant dans l'électrolyte. Il réagit également facilement avec des traces d'eau dans l'électrolyte pour générer du HF, provoquant une corrosion à l'intérieur de la batterie. Une mauvaise étanchéité à l'air entraîne la détérioration de l'électrolyte, ainsi que des modifications de la viscosité et de la chromaticité de l'électrolyte, ce qui conduit finalement à une forte baisse des performances de transport des ions.

Défaillance du collecteur de courant : le collecteur de courant se corrode et l'adhérence du collecteur de courant diminue. Le HF généré par la défaillance de l'électrolyte corrode le collecteur de courant et génère des composés à faible conductivité, ce qui entraîne une augmentation du contact ohmique ou une défaillance du matériau actif. Pendant le processus de charge et de décharge, la feuille de cuivre se dissout à un faible potentiel et se dépose sur la surface de l'électrode positive, ce qu'on appelle la « précipitation du cuivre ». La forme courante de défaillance du collecteur de courant est que la force de liaison entre le collecteur de courant et le matériau actif est insuffisante, ce qui provoque le décollement du matériau actif et ne peut pas fournir de capacité à la batterie.

Augmentation de la résistance interne

L'augmentation de la résistance interne des batteries au lithium s'accompagnera de problèmes de défaillance tels qu'une diminution de la densité énergétique, une diminution de la tension et de la puissance et une génération de chaleur de la batterie. Les principaux facteurs conduisant à l'augmentation de la résistance interne des batteries lithium-ion sont divisés en matériaux clés de la batterie et en environnement d'utilisation de la batterie.

Matériaux clés de la batterie : microfissures et rupture du matériau de l'électrode positive, destruction du matériau de l'électrode négative et SEI de surface excessif, vieillissement de l'électrolyte, séparation du matériau actif et du collecteur de courant, détérioration du contact du matériau actif et des additifs conducteurs (y compris la perte d'additifs conducteurs), le trou de rétrécissement du diaphragme est bloqué, le soudage des languettes de la batterie est anormal, etc.

Environnement d'utilisation de la batterie : température ambiante trop élevée/basse, surcharge et décharge excessive, taux de charge et de décharge élevé, processus de fabrication et structure de conception de la batterie, etc.

Court-circuit interne

Les courts-circuits internes provoquent souvent une autodécharge, une dégradation de la capacité, un emballement thermique local et des accidents de sécurité des batteries lithium-ion.

Court-circuit entre les collecteurs de courant en cuivre/aluminium : des corps étrangers métalliques non taillés percent le diaphragme ou l'électrode lors de la production ou de l'utilisation de la batterie, et le déplacement des pièces polaires ou des languettes dans le boîtier de la batterie provoque le contact des collecteurs de courant positif et négatif.

Court-circuit causé par une défaillance du diaphragme : vieillissement du diaphragme, effondrement du diaphragme, corrosion du diaphragme, etc., entraîneront la défaillance du diaphragme. Le diaphragme défectueux perd son isolation électrique ou l'espace devient un micro-contact entre les électrodes positive et négative. Il y aura alors un échauffement local important et la charge et la décharge continues se propageront dans l'environnement. , Entraînant un emballement thermique.

Les impuretés provoquent des courts-circuits : l'incapacité à éliminer les impuretés des métaux de transition dans la suspension d'électrode positive entraînera le perçage du séparateur ou favorisera la formation de dendrites de lithium de l'électrode négative, entraînant des courts-circuits internes.

Court-circuit causé par les dendrites de lithium : Lithium des dendrites apparaîtront aux endroits où les charges locales sont inégales pendant le cycle long, et les dendrites pénétreront le diaphragme pour provoquer des courts-circuits internes.

Lors de la conception et de la fabrication d'une batterie ou de l'assemblage d'un pack de batteries, une conception déraisonnable ou une pression locale excessive peuvent également provoquer des courts-circuits internes. Un court-circuit interne se produit également sous l'effet d'un dépassement ou d'une décharge excessive de la batterie.

Production de gaz

Lors de la formation de la batterie, le phénomène de production de gaz qui se produit lorsque l'électrolyte est consommé pour former un film SEI stable est une production de gaz normale, mais le phénomène de consommation excessive d'électrolyte et de libération d'oxygène du matériau de la cathode est une production de gaz anormale. Il apparaît souvent dans les batteries à emballage souple, ce qui entraîne une pression interne trop importante de la batterie et une déformation, une rupture du film d'aluminium de l'emballage et des problèmes de contact interne de la batterie.

Trace d'humidité dans l'électrolyte ou le matériau actif d'électrode n'est pas séché, ce qui provoque la décomposition du sel de lithium dans l'électrolyte pour produire du HF, corroder le collecteur de courant Al, détruire le liant et produire de l'hydrogène. La décomposition électrochimique des esters ou éthers en chaîne/cycliques dans l'électrolyte causée par une plage de tension inappropriée produira du C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, CO2, etc.

Emballement thermique

L'emballement thermique fait référence à l'augmentation rapide de la température interne ou globale de l' batterie lithium-ion, et la chaleur ne peut pas être dissipée à temps, et une grande quantité de celle-ci s'accumule à l'intérieur et induit d'autres réactions secondaires. Les facteurs qui induisent l'emballement thermique des batteries au lithium sont des conditions de fonctionnement anormales, telles que les abus, les courts-circuits, le grossissement élevé, la température élevée, l'extrusion et l'acupuncture.

Lithium

La précipitation du lithium est la précipitation du lithium métallique sur la surface de l'électrode négative de la batterie, ce qui est un phénomène courant de vieillissement et de défaillance des batteries au lithium. L'évolution du lithium réduira les ions lithium actifs dans la batterie, provoquant une perte de capacité et la formation de dendrites qui perforent le diaphragme, ce qui provoquera une production excessive de courant local et de chaleur, et finalement des problèmes de sécurité de la batterie.