Causes et stratégies de prévention des défaillances des piles au lithium

Écrit par :

Mari

1) Qu'est-ce qu'une défaillance de la batterie au lithium ?

Pile au lithium La défaillance désigne l'incapacité des batteries lithium-ion à maintenir leurs performances de conception ou à atteindre la durée de vie prévue pour diverses raisons. Cette défaillance peut se manifester par une diminution de la capacité, une augmentation de la résistance interne, une vitesse de charge plus lente, une durée de vie réduite, une mauvaise consistance, une autodécharge et des risques de sécurité tels que l'emballement thermique, le gonflement, la fuite d'électrolyte, le placage de lithium, les courts-circuits et la déformation due à l'expansion.

2. les raisons de la défaillance des piles au lithium

(1) Nombre de cycles de charge

La durée de vie des batteries lithium-ion est liée au nombre de cycles de charge. Après un certain nombre de cycles, la capacité de la batterie diminue, ce qui entraîne sa défaillance.

(2) Surcharge et décharge excessive

Des périodes prolongées de surcharge ou de décharge excessive peuvent entraîner des modifications chimiques à l'intérieur de la batterie, réduisant ainsi ses performances.

(3) Environnement à haute température

Températures élevées accélèrent les réactions chimiques à l'intérieur de la batterie, ce qui entraîne un vieillissement et une dégradation des performances.

(4) Dommages physiques

Les dommages physiques subis par la batterie, tels que les chocs ou la compression, peuvent provoquer des courts-circuits internes ou des dommages, entraînant une défaillance.

3 Mécanismes de défaillance des piles au lithium

(1) Migration des ions lithium

Au cours des cycles de charge et de décharge, les ions lithium migrent entre les électrodes positives et négatives, provoquant des changements structurels dans les matériaux d'électrode et réduisant les performances de la batterie.

(2) Dégradation de l'électrolyte

La dégradation de l'électrolyte entraîne des réactions chimiques instables au sein de la batterie, ce qui affecte sa durée de vie.

(3) Formation d'une interface électrolyte solide (film SEI)

Au cours des cycles de charge et de décharge, une interface électrolyte solide se forme dans les batteries lithium-ion. Au fur et à mesure que le nombre de cycles augmente, la formation continue de cette interface accroît la résistance, réduisant ainsi les performances de la batterie.

4. Modes de défaillance des piles au lithium

Les modes de défaillance des systèmes de batteries comprennent principalement la diminution de la capacité, l'augmentation de la résistance interne et la polarisation. En fonction de la structure et de la composition du système de batterie, on peut distinguer trois niveaux différents de modes de défaillance : le mode de défaillance des cellules, le mode de défaillance du système de gestion de la batterie (BMS) et le mode de défaillance de l'intégration du système d'alimentation.

A. Mode de défaillance des cellules

Les modes de défaillance des cellules peuvent être divisés en modes de défaillance de sécurité et en modes de défaillance non liés à la sécurité. Les modes de défaillance de sécurité des cellules comprennent principalement

(1) Court-circuit interne des cellules

Des défauts au cours de la production des cellules ou des vibrations à long terme et des forces externes peuvent entraîner une déformation des cellules, ce qui finit par provoquer des courts-circuits internes. Lorsqu'un court-circuit interne grave se produit, il ne peut être contrôlé, les mesures de protection externes sont inefficaces et de la fumée ou une combustion se produit inévitablement.

(2) Fuite de l'unité cellulaire

Les dommages externes, les collisions, une mauvaise installation entraînant des dommages à la structure du joint, des défauts de soudure, une colle d'étanchéité insuffisante, etc. peuvent entraîner une fuite de la cellule. Après la fuite de l'élément, l'isolation de l'ensemble du bloc-batterie est défaillante et lorsqu'il y a plusieurs points de défaillance de l'isolation, un court-circuit externe se produit.

(3) Placage de lithium sur l'électrode négative de la batterie

Une mauvaise utilisation de la batterie, une surcharge, une charge à basse température et une charge à haute intensité peuvent toutes entraîner un dépôt de lithium sur l'électrode négative de la batterie. Lorsque le placage de lithium se produit sur l'électrode négative, le lithium métal ne peut pas être réduit, ce qui entraîne une diminution irréversible de la capacité. Lorsque le placage de lithium atteint une certaine gravité, des dendrites de lithium se forment, perforant le diaphragme et provoquant un court-circuit interne. Par conséquent, le chargement à basse température doit être strictement interdit lors de l'utilisation de batteries lithium-ion.

(4) Expansion et gonflement de la cellule

Il existe de nombreuses raisons à l'apparition du gonflement, comme le gaz généré par les réactions secondaires à l'intérieur de la batterie, qui peut provoquer le gonflement de la batterie. Le problème du gonflement peut être maîtrisé en contrôlant strictement la teneur en humidité pendant le processus de production des cellules. Une fois que la batterie a gonflé, des fuites et d'autres problèmes peuvent survenir.

Le risque de défaillance de sécurité des cellules est relativement élevé. En revanche, les défaillances non liées à la sécurité n'entraînent que des problèmes de performance tels qu'une mauvaise constance de la température, une autodécharge excessive, une réduction de la capacité de décharge à basse température et une diminution de la capacité.

B. Mode de défaillance du BMS

(1) Défaut de détection de la tension du BMS entraînant une surcharge ou une décharge excessive de la batterie.

Une mauvaise connexion ou un mauvais contact lors de la connexion ou de la pression entraîne une défaillance de la ligne de détection de la tension, et le BMS ne dispose d'aucune information sur la tension, de sorte que la charge ne s'arrête pas lorsqu'elle le devrait. La surcharge de la batterie peut provoquer un incendie ou une explosion. La plupart des batteries au phosphate de fer lithié ne dégagent de la fumée que lorsqu'elles sont surchargées au-delà de 5 V, mais lorsque les batteries au cobaltate de lithium sont surchargées, des explosions peuvent se produire.

En outre, la surcharge peut facilement provoquer la décomposition de l'électrolyte dans les batteries lithium-ion, ce qui entraîne un gonflement de la batterie. Dans les cas les plus graves, de la fumée et un incendie peuvent se produire. La décharge excessive de la batterie peut endommager la structure moléculaire du matériau de l'électrode positive de la batterie, empêchant ainsi la recharge de la batterie. Dans le même temps, une tension de batterie excessivement basse entraîne la décomposition de l'électrolyte et le séchage, ce qui provoque un placage de lithium et des courts-circuits internes de la batterie. Lors de la conception du système, des lignes d'acquisition de tension fiables doivent être sélectionnées et un contrôle strict doit être effectué pendant la production afin d'éviter toute défaillance de la ligne d'acquisition de tension.

(2) Défaillance de la détection du courant du BMS

En cas de défaillance du capteur à effet Hall, le BMS n'est pas en mesure de collecter le courant et le SOC ne peut pas être calculé, ce qui entraîne des écarts importants. La défaillance de la détection du courant peut entraîner un courant de charge excessif. Un courant de charge élevé provoque un échauffement interne important de la batterie, et la température dépasse un certain seuil, ce qui entraîne la solidification du diaphragme et la réduction de la capacité, affectant gravement la durée de vie de la batterie.

(3) Défaut de détection de la température du BMS

L'échec de la détection de la température entraîne une température de fonctionnement excessivement élevée de la batterie, des réactions irréversibles se produisent dans la batterie, ce qui a un impact important sur la capacité et la résistance interne de la batterie. La durée de vie de la cellule est directement liée à la température. Le nombre de cycles à 45°C est deux fois moins important qu'à 25°C. En outre, une température élevée peut facilement provoquer un gonflement de la batterie, une fuite, une explosion, etc. Par conséquent, la température de la batterie doit être strictement contrôlée entre 20 et 45°C pendant l'utilisation, ce qui permet non seulement d'améliorer efficacement la durée de vie et la fiabilité de la batterie, mais aussi d'éviter le court-circuit causé par le placage de lithium pendant la charge à basse température de la batterie et l'emballement thermique à haute température.

(4) Défaut de surveillance de l'isolation

La défaillance de l'isolation se produit lorsque le système de batterie d'alimentation se déforme ou fuit. Si elle n'est pas détectée par le système de gestion des bâtiments, elle peut provoquer un choc électrique pour le personnel. Par conséquent, les exigences relatives aux capteurs contrôlés par le système BMS doivent être les plus élevées, et éviter la défaillance du système de contrôle peut améliorer considérablement la sécurité de la batterie d'énergie.

(5) Échec de la communication sur la compatibilité électromagnétique

Pour le système de GTB, la compatibilité électromagnétique teste principalement sa capacité à résister aux interférences électromagnétiques. Les interférences électromagnétiques provoquent l'échec de la communication du système de GTB, ce qui entraîne les problèmes susmentionnés.

(6) Écart important dans l'estimation du SOC

À l'heure actuelle, il y a généralement un écart dans le SOC. La norme d'inspection générale exige un écart inférieur à 5%. La plupart des BMS des fabricants devraient être difficiles à atteindre en raison de la complexité de l'environnement d'utilisation, et l'erreur de SOC en utilisation réelle deviendra de plus en plus importante.

C. Mode d'échec de l'intégration du système d'emballage

(1) Défaillance du jeu de barres

S'il est boulonné, lors de l'utilisation ultérieure, l'oxydation et la chute du boulon ou les vibrations entraîneront le desserrage du boulon, ce qui provoquera une forte chaleur au niveau de la connexion du conducteur et, dans les cas extrêmes, un incendie de la batterie d'alimentation.

(2) Défaillance du connecteur du circuit principal du système de batterie d'alimentation.

La ligne haute tension du système de batterie d'alimentation est connectée au système haute tension externe par l'intermédiaire d'un connecteur. Les performances du connecteur ne sont pas fiables et une connexion virtuelle se produit sous l'effet des vibrations, ce qui entraîne une ablation du connecteur à haute température. En général, la température du connecteur dépasse les 90 degrés, ce qui entraîne une défaillance de la connexion. Par conséquent, lors de la conception du système, le connecteur doit être équipé d'une fonction de verrouillage haute tension, ou un capteur de température doit être ajouté au connecteur pour surveiller la température du connecteur à tout moment afin d'éviter une défaillance du connecteur.

(3) Adhésion des contacteurs haute tension

Le contacteur possède un certain nombre de disjoncteurs, dont la plupart s'éteignent lorsque le contacteur se ferme sous l'effet d'un courant important. Dans la conception du système, un schéma à double relais est généralement utilisé pour fermer les commandes en séquence afin d'éviter le blocage des contacteurs à haute tension.

(4) Défaillance de la protection contre les surintensités du fusible

La sélection et l'adaptation des fusibles dans les composants des systèmes à haute tension doivent faire l'objet d'un examen approfondi. Les vibrations, les collisions externes et l'écrasement entraînent une déformation de la batterie d'alimentation, une défaillance de l'étanchéité et une réduction du niveau IP. Par conséquent, lors de la conception du système, il convient de prêter attention à la protection contre les collisions de la structure du boîtier de la batterie.

5. méthodes de prévention et de traitement des défaillances des piles au lithium

(1) Charge et décharge correctes

Éviter la surcharge et la décharge excessive, adopter des stratégies de charge et de décharge appropriées pour retarder le vieillissement de la batterie.

(2) Contrôle de la température

Évitez d'exposer la batterie à des températures élevées afin de ralentir son vieillissement.

(3) Utilisation d'un système de gestion de la batterie (BMS)

Le BMS peut surveiller l'état de la batterie, détecter les problèmes à l'avance et prendre des mesures pour protéger la batterie contre la surcharge, la décharge excessive et d'autres effets.

(4) Utilisation d'un système de gestion de la batterie