Analyse du court-circuit interne de la batterie lithium-ion – Taipu Technology

Dans les conditions complexes de charge et de décharge des batteries lithium-ion pendant le fonctionnement réel, bien que le système de gestion de batterie puisse aider à obtenir un fonctionnement normal autant que possible, des abus mécaniques, électriques et thermiques peuvent toujours se produire lors d’une surcharge, d’une décharge excessive, d’une surchauffe et d’autres situations particulières. Ces abus peuvent entraîner une dégradation rapide des performances des batteries, ...

Analyse des courts-circuits internes de la batterie lithium-ion

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Dans les conditions complexes de charge et de décharge des batteries lithium-ion pendant le fonctionnement réel, bien que le système de gestion de batterie puisse aider à obtenir un fonctionnement normal autant que possible, des abus mécaniques, électriques et thermiques peuvent toujours se produire lors d’une surcharge, d’une décharge excessive, d’une surchauffe et d’autres situations particulières. Ces abus peuvent entraîner une dégradation rapide des performances de la batterie, entraînant des courts-circuits internes et, en fin de compte, des problèmes de sécurité thermiques.

Cet article mène une étude systématique sur le court-circuit interne des batteries lithium-ion, en se concentrant sur quatre aspects : les principes de court-circuit interne, les méthodes expérimentales induites, les méthodes d’identification des courts-circuits internes et les mesures préventives.

En menant des recherches dans ces domaines, cet article donne un aperçu des méthodes d’identification et des mesures préventives des courts-circuits internes dans les batteries lithium-ion. Ces informations peuvent être précieuses pour la sécurité, la protection et l’application des batteries lithium-ion.

1 Recherche sur le mécanisme interne de court-circuit

Les conditions de déclenchement des courts-circuits internes peuvent être classées en trois catégories : les abus mécaniques, les abus électriques et les abus thermiques. L’abus mécanique implique des actions telles que la perforation et la compression de l’aiguille, qui provoquent une déformation mécanique de la batterie et une rupture partielle du séparateur, entraînant un court-circuit interne. L’abus électrique entraîne un placage au lithium et la croissance de dendrites, qui comblent les espaces dans le séparateur et créent une connexion entre les électrodes positive et négative, provoquant un court-circuit interne. L’abus thermique se produit lorsque des températures élevées provoquent un retrait et un effondrement importants du séparateur, entraînant un court-circuit interne. Lorsqu’un court-circuit interne se produit dans une batterie lithium-ion, il génère un courant élevé et une quantité importante de chaleur localisée, ce qui entraîne finalement un emballement thermique.

Des courts-circuits internes peuvent se produire tout au long du cycle de vie d’une batterie, et leur développement et leur évolution peuvent être divisés en trois étapes : stade précoce, stade intermédiaire et stade tardif, comme le montre le tableau 1.

Au cours de la première étape d’un court-circuit interne, la chute de tension causée par le court-circuit est relativement lente et la chaleur générée est minime, ce qui peut être dissipé par le système de refroidissement. Par conséquent, il n’y a pas de changement significatif de la température de la batterie au cours de cette étape. Le stade précoce peut durer longtemps et est difficile à détecter. Au milieu d’un court-circuit interne, la chute de tension devient importante et la chaleur générée s’accumule en raison d’une dissipation inadéquate. Cela entraîne une augmentation notable de la température de la batterie. L’étape intermédiaire est relativement courte, mais ses caractéristiques sont plus prononcées, ce qui facilite son identification. Dans la phase tardive d’un court-circuit interne, la batterie subit un court-circuit généralisé, provoquant une chute de la tension à 0 V. Une grande quantité de chaleur est générée instantanément, ce qui entraîne un emballement thermique de la batterie. La phase tardive est de très courte durée et ne peut pas être interrompue une fois qu’elle se produit. Les changements caractéristiques au cours de l’évolution d’un court-circuit interne sont résumés dans le Tableau 1.

2. Analyse de la méthode d’identification des courts-circuits internes

Pour éviter le développement de courts-circuits internes dans les batteries lithium-ion jusqu’à un stade tardif où ils deviennent incontrôlables et entraînent un emballement thermique, les chercheurs se consacrent depuis longtemps à l’étude de méthodes précises d’identification des courts-circuits internes au cours des premières étapes. À l’heure actuelle, les méthodes d’identification des courts-circuits internes peuvent être classées dans les cinq types suivants :

  1. Identification des écarts sur la base des données mesurées : Cette méthode nécessite l’établissement d’un modèle fiable de prédiction de l’état de la batterie. Les valeurs mesurées en temps réel de paramètres tels que la tension et la température pendant la charge et la décharge de la batterie sont comparées et analysées avec les valeurs prédites du modèle. Si l’écart calculé dépasse la plage d’erreur admissible, il est déterminé qu’un court-circuit interne s’est produit. Cependant, étant donné que les changements dans les paramètres caractéristiques tels que la tension et la température de la batterie ne sont pas significatifs au cours des premières étapes d’un court-circuit interne, cette méthode a une efficacité limitée pour identifier les courts-circuits internes à un stade précoce et ne peut pas identifier les courts-circuits internes dans les batteries parallèles.
  2. Méthode d’identification des anomalies de signal de tension : Cette méthode est basée sur le principe que les batteries à base de séparateur en céramique subissent une chute de tension anormale et un phénomène de récupération lors d’un court-circuit interne. En détectant si le signal de tension de la batterie présente une chute de tension anormale et une récupération pendant le processus de charge et de décharge de la batterie, l’occurrence d’un court-circuit interne peut être déterminée. Cependant, cette méthode ne peut identifier les courts-circuits internes que dans des types spécifiques de batteries, en particulier celles avec des séparateurs recouverts d’un matériau de protection poreux. Par conséquent, il a des limites et ne peut être appliqué qu’à l’identification des courts-circuits internes dans les batteries connectées en série de types de batteries spécifiques.
  3. Méthode d’identification de l’autodécharge de la batterie : Un court-circuit interne dans une batterie entraîne inévitablement des processus d’autodécharge anormaux qui dépassent la plage normale. En comparant la tension avant et après une période de repos de la batterie ou en utilisant des méthodes telles que des sources de tension constante de référence, la présence de processus d’autodécharge anormaux peut être détectée. Si de tels processus sont détectés, il est déterminé qu’un court-circuit interne s’est produit. Cependant, comme cette méthode nécessite que la batterie soit au repos et dans un état non opérationnel, elle ne peut pas être utilisée pour l’identification en temps réel pendant le fonctionnement de la batterie ou pour l’identification des courts-circuits internes dans les batteries parallèles.
  4. Méthode d’identification de la cohérence de la batterie : Basée sur l’hypothèse que les cellules de batterie d’un bloc-batterie présentent une cohérence, cette méthode implique la surveillance de paramètres tels que la tension, la capacité et la charge restante des cellules de batterie individuelles au sein du même bloc-batterie. Si les paramètres d’une certaine cellule de batterie s’écartent considérablement des paramètres normaux d’autres cellules, perturbant ainsi la consistance globale de la batterie, il est déterminé que la cellule de batterie a subi un court-circuit interne. Cependant, étant donné que les changements dans les paramètres caractéristiques tels que la tension et la capacité de la batterie ne sont pas significatifs au cours des premières étapes d’un court-circuit interne, cette méthode a une efficacité limitée pour identifier les courts-circuits internes à un stade précoce et ne peut pas identifier les courts-circuits internes dans les batteries parallèles.
  5. Méthode spéciale d’identification des circuits : Cette méthode implique la détection de paramètres tels que la tension et le courant dans une topologie de circuit en anneau symétrique. Si des changements dans la symétrie des paramètres du circuit sont observés, l’emplacement de la cellule de batterie subissant un court-circuit interne peut être déterminé avec précision. Cette méthode permet d’identifier avec haute précision les courts-circuits internes dans les batteries parallèles et d’estimer la résistance interne. Cependant, il présente des inconvénients tels que le coût élevé de l’équipement et un impact potentiel sur la cohérence dynamique de la batterie.

3. Mesures de suppression des courts-circuits internes

Les facteurs qui peuvent provoquer des courts-circuits internes dans les batteries peuvent être classés en deux types : les matériaux et les processus de fabrication des batteries, ainsi que la conception et l’utilisation des batteries. Voici un résumé des méthodes pour inhiber et prévenir l’apparition de courts-circuits internes sous ces deux aspects :

3.1 Matériaux et procédés des batteries

Les méthodes d’inhibition et de prévention des courts-circuits internes peuvent principalement être réalisées grâce à plusieurs aspects, notamment des améliorations dans les matériaux de séparation, les matériaux d’électrolyte, les revêtements d’électrodes et les processus de production pour réduire les défauts de fabrication.

En utilisant des séparateurs céramiques résistants aux hautes températures et à faible taux d’autodécharge, ainsi que des électrolytes ignifuges ou des électrolytes liquides ioniques, il est possible d’inhiber efficacement la croissance des dendrites et de réduire le risque de courts-circuits internes. En appliquant des revêtements à faible conductivité ou des matériaux à coefficient de température positif sur les collecteurs de courant ou les électrodes des cellules de batterie, il est possible de réduire efficacement le courant de court-circuit interne et la génération de chaleur lors d’un court-circuit interne, réduisant ainsi la probabilité d’emballement thermique de la batterie. L’optimisation des processus de production des cellules de batterie, des séparateurs et d’autres matériaux, y compris les processus d’élimination des impuretés, peut aider à filtrer les impuretés métalliques, à prévenir les réactions secondaires irréversibles entre les impuretés métalliques et l’électrolyte, et à réduire le risque que des particules métalliques perforent le séparateur et provoquent des courts-circuits internes. De plus, l’utilisation de techniques de détection avancées pour évaluer l’intégrité de la structure interne, la précision de fabrication et l’alignement des électrodes au sein de la batterie peut aider à atténuer les risques potentiels de courts-circuits internes.

3.2 Conception et utilisation de la batterie

En termes de conception logicielle de batterie, la mise en œuvre d’un système de gestion de batterie (BMS) avec des stratégies appropriées d’avertissement et de contrôle de la sécurité de la batterie permet de surveiller en temps réel l’état de chaque cellule de batterie. Cela permet de détecter à temps l’emplacement des courts-circuits internes et d’atténuer rapidement tout risque pour la sécurité. La réduction du risque de courts-circuits internes causés par des charges de batterie élevées peut être obtenue grâce à la conception de la redondance et de l’équilibrage des cellules pendant les processus de charge et de décharge.

En ce qui concerne la conception matérielle des batteries, la mise en œuvre de fusibles superposés tels que les fusibles de cellule, les fusibles de module, les fusibles de batterie et les fusibles de charge de véhicule permet de déconnecter en temps opportun le circuit affecté par un court-circuit interne. Cela permet d’éviter le développement ultérieur d’un court-circuit interne. De plus, un système de refroidissement interne bien conçu améliore la capacité de dissipation de la chaleur, empêchant ainsi l’emballement thermique causé par une chaleur excessive qui peut entraîner des réactions de décomposition de l’électrode, de l’électrolyte et du séparateur. De plus, un système de chauffage interne correctement conçu peut préchauffer la batterie à une température de fonctionnement appropriée pendant la charge à basse température, évitant ainsi le risque d’emballement thermique causé par la pénétration de dendrites à travers le séparateur pendant la charge à basse température.

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