Comment arrêter l’explosion des batteries lithium-ion due à un emballement thermique ?

L'emballement thermique est un problème de longue date qui dérange de grandes entreprises comme Tesla , Samsung , et Boeing et petits aussi.

Le Dreamliner 787 de Boeing, que Boeing annonçait comme étant économe en carburant de 20 %, a été cloué au sol en 2013. La même année, la Model S de Tesla a fait l'objet d'une enquête de sécurité fédérale après avoir pris feu au moins trois fois. L'année dernière, Samsung a rappelé 2,5 millions de smartphones Galaxy Note 7.

Pour les trois sociétés, qui sont des acteurs de premier plan dans leur domaine, le problème était le même : les batteries Lithium-Ion installées au cœur de leur produit comme source d'alimentation. Les batteries lithium-ion installées dans les Tesla Model S, Dreamliner 787 et Galaxy Note 7 explosaient continuellement.

Pourquoi une batterie lithium-ion explose-t-elle de manière inattendue ?

Les batteries au lithium-ion sont le type de batterie le plus utilisé dans plusieurs secteurs, mais savez-vous ce qui les rend dangereuses ? Si vous êtes un chercheur travaillant sur les batteries Li-ion, vous savez que l'une des principales raisons pour lesquelles la plupart des batteries lithium-ion explosent est l'emballement thermique.

Qu’est-ce que l’emballement thermique et pourquoi est-il la principale cause d’explosion de batterie ?
Dans les batteries lithium-ion, la cathode et l’anode sont séparées par un mince séparateur en polyéthylène – parfois 10 microns. Lorsque ce séparateur se rompt, un court-circuit se produit qui déclenche le processus appelé emballement thermique.

L'emballement thermique se produit généralement pendant la charge. La température monte rapidement jusqu'au point de fusion du lithium métallique et provoque une violente réaction.

Une autre raison majeure de l'emballement thermique est que d'autres particules métalliques microscopiques entrent en contact avec différentes parties de la batterie (cela se produit tout le temps lors du processus d'assemblage de la batterie), entraînant un court-circuit.

Habituellement, un léger court-circuit peut provoquer une autodécharge élevée et peu de chaleur est générée car l’énergie de décharge est très faible. Mais lorsque suffisamment de particules métalliques microscopiques convergent vers un seul endroit, un court-circuit électrique majeur peut se développer et un courant important circulera entre les plaques positive et négative.

Cela provoque une augmentation de la température, entraînant un emballement thermique, également appelé « évacuation avec flamme ».

Lors d'un emballement thermique, la chaleur élevée de la cellule défaillante peut se propager à la cellule suivante, la rendant également thermiquement instable. Dans certains cas, une réaction en chaîne se produit dans laquelle chaque cellule se désintègre à son propre rythme.

Pourquoi l’explosion des batteries Li-Ion est-elle un problème majeur pour tous ?

Le smartphone dans votre poche est alimenté par un Batterie Li-Ion . Il s’agit de l’un des types de batteries rechargeables les plus populaires pour les appareils électroniques portables en raison de leur densité énergétique élevée, de leur faible effet mémoire et de leur faible autodécharge.

Au-delà de l’électronique grand public, les batteries lithium-ion sont populaires pour les applications militaires, de véhicules électriques et aérospatiales. Par exemple, les batteries lithium-ion ont remplacé les batteries plomb-acide conventionnelles qui étaient historiquement utilisées pour les voiturettes de golf et les véhicules utilitaires.

La taille du marché mondial des batteries au lithium-ion devrait atteindre 46,21 milliards de dollars d’ici 2022, avec un TCAC de 10,8 % au cours de la période 2016-2022.

Pour quelque chose qui est devenu si rapidement partie intégrante de notre vie quotidienne, nous risquions en effet notre vie en ayant ces batteries autour de nous.

Compte tenu de leurs applications, ils ne sont pas facilement remplaçables mais si le problème de l’emballement thermique pouvait être résolu, l’équilibre se rétablirait au paradis.

Comment pouvons-nous empêcher l’emballement thermique Piles au lithium-ion ?

1. Présentation d'un ignifuge
L'emballement thermique se produit souvent à cause de crevaisons et d'une charge inappropriée. Pour contrer de tels risques d'incendie, les inventeurs ont utilisé un fluide thermique qui contient un retardateur de flamme.

Un ignifuge est un composé qui inhibe, supprime ou retarde la production de flammes ou empêche la propagation du feu.

Ici, ils ont microencapsulé le retardateur de flamme (généralement un composé de brome) dans du polyéthylène haute densité et ajouté de l'eau et un composé de glycol pour préparer le fluide thermique utilisé. Le composé glycol est utilisé ici comme « antigel » (les composés glycol couramment utilisés sont l’éthylène glycol, le diéthylène glycol et le propylène glycol).

En outre, l’invention est principalement discutée à la lumière des batteries EV. Lorsqu’elle est sollicitée pour alimenter un véhicule électrique, une batterie chauffe. Le fluide thermique circule à travers le conteneur et sur les modules de la batterie.

En cas de surcharge ou d'accident de voiture entraînant une crevaison de la batterie, le retardateur de flamme présent dans le fluide thermique agit pour réduire le risque d'incendie. Plus précisément, les microcapsules de composé bromé se rompent lorsque la température de rupture est atteinte en raison de la chaleur excessive du feu. Le retardateur de flamme est libéré des microcapsules et agit pour maîtriser l’incendie.

2. Utilisation de dispositifs initiateurs de dommages
Les régents de l'Université de Californie semblent être assez actifs dans la recherche sur la manière de résoudre le problème de l'emballement thermique.

En 2006, ils ont déposé un brevet relatif à des électrolytes polymères à module élastique élevé, adaptés à la prévention de l'emballement thermique (US8703310). Un autre groupe d'inventeurs a déposé ce brevet (c'est-à-dire US'535) en 2013, concernant l'atténuation de l'emballement thermique à l'aide de matériaux ou de dispositifs initiateurs de dommages.

Plus précisément, ils ont développé un mécanisme d'arrêt en cas d'emballement thermique qui peut être déclenché mécaniquement ou thermiquement (ou les deux), lorsque la batterie est endommagée (c'est-à-dire avant ou peu après le démarrage de l'emballement thermique) et résolvent le problème avant même qu'il ne puisse commencer. .

De telles contre-mesures prédictives ou instantanées sont particulièrement nécessaires lorsqu'une batterie est soumise à un impact ou à une pression élevée (comme un accident comme je l'ai également mentionné pour le brevet précédent US'886) et que sa structure interne est endommagée, provoquant un court-circuit interne.

Le principe de base sur lequel il fonctionne est le suivant : lorsqu'une charge mécanique est appliquée à la batterie, les initiateurs de dommages peuvent déclencher des dommages généralisés ou la destruction de l'électrode, de sorte que la résistance interne augmente considérablement pour atténuer l'emballement thermique avant même qu'il ne se produise.

Ici, ils ont parlé de deux types d'initiateurs de dommages –

Initiateurs de dégâts passifs

Ces initiateurs déclenchent des fissures ou des vides dans les électrodes lors d'un impact, et ces fissures et/ou vides augmentent l'impédance interne de l'électrode et réduisent ainsi la génération de chaleur associée à un éventuel court-circuit interne. De tels additifs sont appelés initiateurs de fissures ou de vides (CVI).

Les dommages aux électrodes peuvent être causés par une décollement ou une inadéquation de rigidité des interfaces CVI-électrode, une fracture et une rupture du CVI, etc. Des exemples d'additifs passifs comprennent des particules solides ou poreuses, des fibres solides ou creuses/poreuses et des tubes, etc. peuvent être formés à partir de matériaux carbonés tels que le graphite, les nanotubes de carbone, les charbons actifs, les noirs de carbone, etc.

Initiateur de dégâts actif

Ces initiateurs peuvent produire un changement significatif de volume ou de forme lors d’une charge mécanique ou thermique. Les initiateurs de dommages actifs peuvent inclure des particules solides ou poreuses, des billes pleines ou creuses, des fibres et des tubes solides ou creux/poreux, etc. Les initiateurs de dommages actifs peuvent être formés à partir d'alliages à mémoire de forme tels que Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni. -Ti-Pt, etc.

Les produits chimiques libérés lors emballement thermique peut être toxique et, dans des cas extrêmes, un emballement thermique peut provoquer des incendies électriques et/ou l'explosion de batteries. La température de l’air ambiant dans l’environnement de la batterie doit également être correctement maintenue. Le contrôle de ces facteurs réduit le potentiel de emballement thermique .

source : https://www.greyb.com/prevent-thermal-runaway-problem-li-ion-batteries/