Les piles au lithium sont-elles sûres ? - risques et comparaison des piles

Comment fonctionnent les piles au lithium ?

Avant d'aborder la question de savoir si les piles au lithium sont sûres, nous allons présenter le principe de fonctionnement des piles au lithium en trois parties : le processus de charge, le processus de décharge et la carte de protection de la batterie :

1. Processus de charge de la batterie au lithium

La cathode de la batterie est générée par des ions lithium, et les ions lithium générés "sautent" dans l'électrolyte à partir de la cathode, "rampent" à travers les petits trous tortueux du séparateur à travers l'électrolyte, et se déplacent jusqu'à l'anode. Les électrons de l'anode sont liés entre eux.

● La réaction à la cathode est la suivante : LiCoO2==charge==Li1-xCoO2+Xli++Xe (électron).

● La réaction à l'anode est : 6C+XLi++Xe=====LixC6.

Pendant le processus de charge, le Li+ sort de la cathode LiCoO2, pénètre dans l'électrolyte et se déplace vers l'anode sous l'action du champ électrique externe ajouté par l'électrode. chargeur de batterie. L'anode composée de graphite ou de coke C entre à son tour et forme un composé LiC à l'anode.

2. Processus de décharge des piles au lithium

Lors de la décharge, les électrons et le Li+ agissent en même temps, dans la même direction mais sur des trajectoires différentes.

Les électrons vont de l'anode à la cathode en passant par le circuit externe. L'ion lithium Li+ "saute" dans l'électrolyte à partir de l'anode, "grimpe" par le petit trou incurvé du diaphragme, "nage" jusqu'à la cathode et se combine avec les électrons qui l'ont traversée. Ce que nous appelons habituellement la capacité de la batterie fait référence à la capacité de décharge.

3. Carte de protection de la batterie

Comme son nom l'indique, la carte de protection de la batterie est principalement une carte de circuit intégré qui protège les batteries rechargeables (généralement appelées batteries au lithium).

La raison pour laquelle la batterie au lithium a besoin d'une protection est que le matériau de la batterie au lithium elle-même détermine qu'elle ne peut pas être chargée et déchargée par surcharge, surdécharge, surintensité, court-circuit et température ultra-élevée, de sorte que la batterie au lithium est toujours équipée d'une carte de protection et d'un fusible de courant.

L'image ci-dessus montre le circuit de protection de la carte de la batterie.

PTC : Thermistance à coefficient de température positif ;

NTC : Thermistance à coefficient de température négatif.

Lorsque la température ambiante augmente, sa valeur de résistance diminue, et l'utilisation de l'équipement électrique ou de l'équipement de charge peut réagir à temps, contrôler l'interruption interne et arrêter la charge et la décharge.

U1 est la puce de protection du circuit, U2 est deux commutateurs MOSFET connectés en sens inverse. Dans des conditions normales, CO et DO de la carte de batterie U1 produisent tous deux une tension élevée, les deux MOSFET sont à l'état ouvert et la batterie peut être chargée et déchargée librement.

Caractéristiques des piles au lithium

1. Longue durée de vie

La durée de vie d'une batterie au plomb-acide de longue durée est d'environ 300 fois, et le maximum est de 500 fois, tandis que la batterie au phosphate de fer-lithium a une durée de vie de plus de 2000 fois. Les batteries plomb-acide de même qualité peuvent être utilisées pendant 1 à 1,5 an au maximum, tandis que la durée de vie théorique des batteries lithium-phosphate de fer utilisées dans les mêmes conditions atteindra 7 à 8 ans, ce qui signifie que le rapport performance-prix est théoriquement plus de 4 fois supérieur à celui des batteries plomb-acide.

La décharge à courant élevé peut charger et décharger rapidement à un courant élevé de 2C. Avec le chargeur approprié, la batterie peut être complètement chargée en 40 minutes après une charge à 1,5C, et le courant de démarrage peut atteindre 2C, mais les batteries au plomb-acide n'ont pas cette performance.

2. Pas d'effet mémoire

La capacité de la batterie tombe rapidement en dessous de la valeur de capacité nominale lorsque la batterie est souvent complètement chargée, et ce phénomène est appelé l'effet de mémoire. Les piles Ni-MH et Ni-Cd ont un effet mémoire, alors que les piles au lithium n'en ont pas. Quel que soit l'état de la batterie, elle peut être chargée et utilisée à tout moment, et il n'est pas nécessaire de la décharger avant de la recharger.

3. Densité énergétique élevée

Actuellement, la densité énergétique de la batterie lithium-phosphate de fer classique est inférieure à 200 Wh/kg, et la densité énergétique de la batterie lithium-phosphate de fer est supérieure à 200 Wh/kg. pile ternaire au lithium se situe entre 200 et 300 Wh/kg.

Le matériau lithium-ion utilisé dans la batterie au lithium a une densité énergétique plus élevée, qui est généralement supérieure à celle des batteries au plomb-acide, qui ont une densité énergétique environ trois fois supérieure, ce qui signifie qu'elles sont capables de stocker plus d'énergie et donc d'avoir une capacité plus élevée dans une batterie de même taille.

4. Légèreté

Le volume d'une batterie au lithium-fer-phosphate ayant les mêmes spécifications et la même capacité est égal à 2/3 du volume d'une batterie au plomb-acide, et son poids est égal à 1/3 de celui d'une batterie au plomb-acide.

5. Protection de l'environnement

Les piles au phosphate de fer et de lithium sont généralement considérées comme ne contenant pas de métaux lourds ou de métaux rares (les métaux rares sont nécessaires pour les piles à hydrure métallique de nickel), non toxiques (certifiées SGS), non polluantes et conformes à la réglementation européenne RoHS, ce qui constitue un certificat écologique absolu pour les piles. Nous pouvons donc savoir si les piles au lithium sont sans danger pour l'environnement.

Quels sont les risques liés aux piles au lithium ?

Les piles au lithium ont une densité énergétique élevée. En général, la densité énergétique des piles au lithium ternaires atteint plus de 200Wh/kg, et plus la densité énergétique est élevée, plus la stabilité thermique est mauvaise. Lorsqu'une réaction d'emballement thermique se produit, une grande quantité de chaleur est libérée, qui peut passer de l'inflammation spontanée à la déflagration. Les piles au lithium sont-elles sûres ? Les principales raisons des risques sont les suivantes :

Surcharge et décharge

Lors d'une utilisation normale, l'énergie électrique et l'énergie chimique sont converties en interne, mais dans des conditions telles que la surcharge et la décharge excessive, il est facile de provoquer des réactions chimiques secondaires à l'intérieur de la batterie.

La réaction secondaire affectera les performances et la durée de vie de la batterie à long terme et, dans les cas les plus graves, une grande quantité de gaz peut être générée, ce qui augmentera la pression à l'intérieur de la batterie et causera des problèmes tels que l'explosion et l'incendie.

Défaut de conception

D'une part, les défauts de conception se traduisent par la recherche d'une densité énergétique excessivement élevée sans tenir compte de la sécurité. La batterie NCM811 en est un exemple typique. Le rapport entre le nickel, le cobalt et le manganèse dans le matériau de la cathode est de 8:1:1, bien que la proportion de nickel soit plus importante.

La densité énergétique est nettement améliorée, mais la teneur en cobalt et en manganèse est réduite (le cobalt peut améliorer la stabilité de la batterie et prolonger sa durée de vie, et le manganèse peut améliorer la sécurité et la stabilité de la batterie), et la sécurité est nettement réduite.

D'autre part, la conception déraisonnable du diaphragme dans la structure de la batterie, telle qu'une longueur de languette trop courte, peut entraîner des risques potentiels pour la sécurité, ou la compression de l'épaisseur de la feuille de cuivre et de la feuille d'aluminium afin de réduire les coûts est également à l'origine de la préoccupation croissante concernant la sécurité des batteries au lithium.

Défauts du processus de production

Dans le processus de production des piles au lithium, en raison de défauts du processus ou d'un contrôle laxiste du processus de production, les impuretés ou l'humidité excessive dans la pile sont tous des comportements dangereux, qui augmenteront les réactions secondaires de la pile, entraînant une augmentation de la pression interne pendant l'utilisation et l'explosion et la combustion spontanée peuvent se produire.

Quel est le principal problème de sécurité posé par les batteries lithium-ion ?

Les piles au lithium sont-elles sûres ? D'une manière générale, les problèmes liés aux piles au lithium se manifestent par des brûlures, voire des explosions. La cause première de ces problèmes est l'emballement thermique à l'intérieur de la batterie. En outre, les batteries au lithium-ion peuvent également être affectées par certains facteurs externes et causer des problèmes tels que la surcharge, l'incendie, l'extrusion, la perforation, le court-circuit, etc.

Selon les statistiques, 68% des incendies de batteries lithium-ion de véhicules électriques survenus au fil des ans ont été causés par des courts-circuits internes ou externes, 15% ont été causés par la charge et la décharge, 7% ont été causés par le démarrage accidentel d'équipements, et 10% ont été causés par d'autres raisons.

Du point de vue de la cause de l'incendie, les défauts électriques et la combustion spontanée sont les principales causes d'incendie dans les véhicules électriques, tandis que la surcharge, les défaillances des cellules de la batterie et les courts-circuits dans les circuits électriques sont les causes principales des incendies, ce qui soulève la question de savoir si les batteries au lithium sont sûres.

Quelle est la batterie la plus sûre ?

Les piles au lithium sont-elles sûres ? Les performances de sécurité des piles au phosphate de fer-lithium seront plus élevées que celles des piles ternaires au lithium. Ceci est principalement dû au fait que la résistance à la chaleur des batteries au phosphate de fer lithié est relativement bonne, et que la température d'emballement thermique peut atteindre plus de 800℃.

La raison pour laquelle la batterie prend feu est principalement due à des facteurs tels que le court-circuit, l'impact et la surcharge, ce qui conduit à la question de savoir si les batteries au lithium sont sûres. Lorsque le courant passe, une grande quantité de chaleur apparaît dans le surpotentiel et la polarisation ohmique, ce qui chauffe localement la batterie jusqu'à la température de décomposition thermique de la cathode. La chaleur provoque l'explosion et l'incendie de la pile.

Le point d'ignition de la batterie ternaire au lithium n'est que de 200℃, et le point d'ignition de la batterie au phosphate de fer lithié est de 800℃. Après un accident, la température d'extrusion de la collision peut facilement dépasser la valeur critique.

En d'autres termes, les piles au phosphate de fer lithié ne s'enflammeront pas spontanément si elles n'atteignent pas 800℃. La batterie ternaire au lithium est différente. La température d'emballement thermique se situe essentiellement autour de 200℃. Si l'on examine les incidents de combustion spontanée des véhicules à énergie nouvelle, on constate que la plupart d'entre eux sont des batteries ternaires au lithium. Par conséquent, dans les régions chaudes, le risque de combustion spontanée des piles ternaires au lithium est plus élevé.

Faut-il attendre les batteries à semi-conducteurs ?

De l'état liquide à l'état solide, le plus grand avantage est de résoudre le problème de la sécurité des piles au lithium. Dans le même temps, les piles à l'état solide peuvent également atteindre une densité énergétique plus élevée, une durée de vie plus longue, un poids plus léger et un emballage plus facile, bref, pour les piles au lithium existantes, les piles à l'état solide présentent de nombreux avantages. Malgré leurs nombreux avantages, les piles à l'état solide en sont encore au stade du laboratoire.

S'il doit être produit en masse, il reste de nombreux problèmes à résoudre en termes de processus de production, d'environnement de fabrication, de sélection des matériaux et de contrôle des coûts. Par exemple, l'environnement de production doit être extrêmement sec, la température du point de rosée doit être inférieure à -40°C, et le traitement des électrolytes solides est difficile.

En raison des difficultés techniques, plus la production de masse des piles à l'état solide sera tardive, plus la fiabilité sera élevée. Bien que les prévisions ne soient pas nécessairement exactes, après avoir résumé les avis des spécialistes, on peut estimer que les batteries semi-solides atteindront la production de masse. L'échéance la plus fiable est 2024/2025, et les batteries à l'état solide complet pourraient être produites vers 2030.

Batterie au lithium semi-solide, solide ou liquide - comparaison de leurs performances