Effets néfastes de l'incohérence des piles au lithium sur les emballages et contre-mesures

Le manque d'homogénéité dans les performances des cellules apparaît au cours de la production et s'accentue au cours de l'utilisation. Au sein d'un même bloc-batterie, les cellules les plus faibles s'affaiblissent systématiquement et se détériorent plus rapidement. La dispersion des paramètres entre les cellules individuelles augmente avec le vieillissement.

Les batteries lithium-ion, qui occupent déjà fermement la position dominante dans l'industrie de l'énergie des véhicules électriques, ont une longue durée de vie, une densité énergétique élevée et un potentiel d'amélioration important. La sécurité peut être améliorée et la densité énergétique peut continuer à augmenter. Dans un avenir prévisible (vers 2020), elles devraient égaler l'autonomie et le rapport coût-efficacité des voitures à essence, entrant ainsi dans la première phase de maturité des véhicules électriques. Cependant, les batteries au lithium posent également des problèmes.

1,Pourquoi la plupart des piles au lithium sont-elles petites ?

Les piles au lithium que nous voyons - piles cylindriques, piles à poche, piles carrées - sont généralement compactes et n'ont pas l'encombrement des piles au plomb-acide traditionnelles. Comment cela se fait-il ?

Avec une densité énergétique élevée, les batteries au lithium ne sont souvent pas conçues pour de grandes capacités. La densité énergétique des batteries plomb-acide est d'environ 40Wh/kg, alors que les batteries au lithium ont dépassé les 150Wh/kg. L'augmentation de la densité énergétique renforce les exigences en matière de sécurité.

Tout d'abord, une batterie au lithium à énergie trop élevée peut entraîner un emballement thermique en cas d'accident, provoquant une réaction interne rapide et dangereuse en raison de l'incapacité à dissiper rapidement l'énergie excédentaire. En particulier lorsque les technologies de sécurité et les capacités de contrôle ne sont pas entièrement développées, la capacité de chaque batterie doit être limitée.

Deuxièmement, une fois que l'énergie contenue dans le boîtier de la pile au lithium est libérée lors d'un accident, les pompiers et les agents d'extinction ne peuvent pas intervenir efficacement. Ils ne peuvent qu'isoler la scène et laisser la batterie réagir jusqu'à épuisement de son énergie.

Bien entendu, les piles au lithium font l'objet de nombreuses mesures de sécurité. Prenons l'exemple des cellules cylindriques :

Les soupapes de sécurité libèrent automatiquement la pression lorsque les réactions internes et la production de gaz dépassent les limites normales et que la pression atteint une valeur prédéfinie. Lorsque la soupape de sécurité s'ouvre, la batterie devient complètement inefficace.

Les thermistances installées dans certaines cellules augmentent considérablement la résistance à une certaine température en raison d'une surchauffe, réduisant le flux de courant et empêchant une nouvelle augmentation de la température.

Les fusibles équipés d'une fonction de protection contre les surintensités déconnectent les circuits en cas de risque de surintensité, évitant ainsi les accidents catastrophiques.

2,Problèmes de cohérence des piles au lithium

En raison de l'impossibilité de créer de grandes cellules individuelles, les batteries au lithium sont souvent composées de nombreuses petites cellules qui fonctionnent ensemble. Cela pose toutefois un problème : la cohérence.

Dans notre expérience quotidienne, deux piles sèches connectées ensemble peuvent alimenter une lampe de poche, quelle que soit leur consistance. Toutefois, dans les applications à grande échelle des piles au lithium, la situation n'est pas aussi simple.

L'incohérence des paramètres des piles au lithium se réfère principalement aux variations de la capacité, de la résistance interne et de la tension en circuit ouvert. L'utilisation conjointe de cellules dont les paramètres ne sont pas cohérents peut entraîner les problèmes suivants :

（1），Capacity Loss : Lorsque des cellules de capacités différentes sont connectées en série, la capacité de l'ensemble de la batterie est déterminée par la cellule de capacité la plus faible. Pour éviter les surcharges et les décharges excessives, le système de gestion de la batterie arrête de décharger le bloc lorsque la tension de la cellule la plus faible atteint la tension de coupure pendant la décharge ou lorsque la tension de la cellule la plus élevée atteint la tension de coupure pendant la charge. Par conséquent, les petites cellules sont toujours chargées et déchargées à fond, tandis que les plus grandes ne sont que partiellement utilisées, ce qui conduit à une sous-utilisation de la capacité de la batterie.

（2），Réduction de la durée de vie : La durée de vie de la batterie est déterminée par la durée de vie la plus courte des cellules, qui est probablement celle dont la capacité est la plus faible. Les cellules plus petites, qui sont chargées et déchargées à fond à chaque fois, sont soumises à davantage de contraintes et sont plus susceptibles d'atteindre la fin de leur durée de vie en premier, ce qui entraîne une défaillance prématurée de l'ensemble de la batterie.

（3），Incrémentation de la résistance interne : Les cellules ayant des résistances internes différentes dissipent des quantités de chaleur différentes lorsqu'elles transportent le même courant. Une résistance interne élevée entraîne des températures plus élevées, ce qui accélère la dégradation. La relation entre la résistance interne et la température forme une boucle de rétroaction négative, accélérant la dégradation des cellules ayant une résistance interne élevée.

Ces trois paramètres ne sont pas totalement indépendants. Les cellules dont la résistance interne est plus élevée ont également tendance à subir une dégradation plus importante de leur capacité. Actuellement, les ingénieurs abordent l'incohérence des cellules principalement sous trois aspects : le tri des cellules, la gestion thermique après le regroupement et la fonction d'équilibrage lorsqu'un petit nombre de cellules présentent une incohérence.

3,Comment traiter les incohérences

Le manque d'homogénéité dans les performances des cellules apparaît au cours de la production et s'accentue au cours de l'utilisation. Au sein d'un même bloc-batterie, les cellules les plus faibles s'affaiblissent systématiquement et se détériorent plus rapidement. La dispersion des paramètres entre les cellules individuelles augmente avec le vieillissement. Actuellement, les ingénieurs abordent l'incohérence des cellules principalement sous trois aspects : le tri des cellules, la gestion thermique après le regroupement et la fonction d'équilibrage lorsqu'un petit nombre de cellules présentent des incohérences.

(1),Tri

Dans l'idéal, les cellules provenant de lots différents ne devraient pas être utilisées ensemble. Même les cellules d'un même lot doivent être triées pour regrouper les cellules ayant des paramètres relativement similaires dans le même bloc-batterie. Le but du tri est de sélectionner les cellules ayant des paramètres similaires. Les méthodes de tri sont étudiées depuis de nombreuses années et sont principalement divisées en deux catégories : le tri statique et le tri dynamique.
Le tri statique consiste à trier les cellules sur la base de caractéristiques telles que la tension en circuit ouvert, la résistance interne et la capacité, en utilisant des algorithmes statistiques pour définir les critères de tri et en divisant les cellules d'un même lot en plusieurs groupes.

Le tri dynamique consiste à sélectionner les cellules en fonction de leurs performances pendant les processus de charge et de décharge. Certaines méthodes utilisent une charge à courant constant et à tension constante, tandis que d'autres utilisent des cycles de décharge à impulsion ou comparent les courbes de charge et de décharge.

La combinaison du tri dynamique et du tri statique consiste à regrouper d'abord les cellules à l'aide du tri statique, puis à utiliser le tri dynamique pour affiner les groupes. Cette approche permet d'obtenir un plus grand nombre de groupes avec une plus grande précision, mais augmente également les coûts.

Cela illustre l'importance de la production à grande échelle dans l'industrie des piles au lithium. La production de masse permet aux fabricants d'effectuer un tri plus fin, ce qui se traduit par des batteries aux performances plus constantes. Si les volumes de production sont trop faibles et que trop de groupes sont nécessaires, même les meilleures méthodes seront inefficaces.

(2),Gestion thermique

Pour résoudre le problème des cellules dont la résistance interne n'est pas uniforme et qui génèrent des quantités de chaleur différentes, un système de gestion thermique est introduit pour réguler la différence de température de l'ensemble du bloc-batterie, en la maintenant dans une faible fourchette. Les cellules qui génèrent le plus de chaleur subissent toujours des températures plus élevées, mais la différence de température entre les cellules est réduite au minimum, ce qui permet d'éviter des différences significatives dans les niveaux de dégradation.

(3),Equilibrage

Dans les cas où certaines cellules atteignent systématiquement la tension de coupure de charge avant les autres, réduisant ainsi la capacité effective de la batterie, les systèmes de gestion de la batterie (BMS) intègrent des fonctions d'équilibrage. Lorsqu'une cellule atteint la tension de coupure plus tôt que les autres, indiquant une charge complète, alors que les autres sont à la traîne, le système de gestion de la batterie active la fonction d'équilibrage de la charge. Cette fonction peut consister à décharger la cellule surchargée ou à transférer de l'énergie à des cellules de tension inférieure, ce qui permet au processus de charge de se poursuivre et d'augmenter la quantité d'énergie stockée dans la batterie.

Jusqu'à présent, l'incohérence des cellules reste un domaine de recherche important dans l'industrie. Malgré la densité énergétique élevée des batteries au lithium, l'incohérence peut réduire de manière significative la capacité et les performances des batteries.