Points clés à retenir :
- Prévalence et fonctionnement : Les batteries lithium-ion sont largement utilisées pour leur haute densité énergétique et leur absence d’effet mémoire. Ils fonctionnent grâce au mouvement réversible des ions lithium entre la cathode et l'anode.
- Causes d'échec : Les raisons courantes de défaillance de la batterie incluent l'évaporation de l'électrolyte organique, la fonte du séparateur, la libération d'oxygène, la charge incontrôlée, la charge rapide à basse température, la décharge complète et les défauts de fabrication.
- Stratégies de prévention : Garantir la longévité de la batterie nécessite l’utilisation de cellules de haute qualité, une conception de bloc-batterie efficace et un système de gestion de batterie (BMS) fiable.
- Importance et fonctionnalités du BMS : Un BMS est crucial pour surveiller la tension, la température et l’équilibre des cellules. Il doit être conforme aux normes de sécurité telles que UL 1642 et IEC 62133 pour les cellules, et UL 991 ou UL 1998 pour les logiciels BMS.
Batteries lithium-ion sont tout autour de nous, alimentant nos smartphones, ordinateurs portables, véhicules électriques et systèmes de stockage d’énergie renouvelable.
Dans cet article, nous explorerons les bases de ces batteries, notamment leur fonctionnement, leurs avantages, les causes courantes de défaillance et les méthodes de prévention.
Pourquoi utiliser des batteries lithium-ion ?
Les batteries lithium-ion sont devenues populaires en raison de leur haute densité énergétique. Elles sont supérieures aux batteries au plomb, au nickel-cadmium et au nickel-hydrure métallique en termes de volume et de densité énergétique massique.
La transition des batteries nickel-cadmium aux batteries nickel-hydrure métallique a conduit à l’utilisation généralisée des batteries lithium-ion. Ces batteries offrent non seulement la densité énergétique la plus élevée, mais n’ont également aucun effet mémoire. Cela signifie que leur capacité n’est pas affectée par une charge ou une décharge complète ou partielle.
De plus, les batteries lithium-ion sont peu toxiques. Surtout le batteries au lithium fer phosphate, ils ne contiennent pas de métaux lourds comme le cobalt. En outre, ils ont une durée de vie plus longue que les produits chimiques alternatifs, garantissant ainsi leur fiabilité dans diverses applications.
Comment fonctionnent les batteries lithium-ion ?
Pour comprendre les problèmes de sécurité liés aux batteries lithium-ion, il est important de comprendre leur fonctionnement. Comme toute cellule électrochimique, une batterie lithium-ion est constituée d’une cathode et d’une anode. La cathode contient généralement un sel de lithium, tel que l'oxyde de lithium ou le phosphate de lithium, tandis que l'anode est généralement constituée de graphite.
Lorsque vous chargez une batterie lithium-ion, les ions lithium (représentés par des points noirs) se déplacent du sel d'oxyde de lithium vers l'anode en graphite. Ce mouvement, appelé intercalation, n’implique pas d’interaction directe entre les ions et les électrons. Au lieu de cela, les électrons circulent de la cathode vers l’anode, où ils réagissent avec le carbone présent dans le graphite.
Il convient de mentionner que contrairement aux batteries au lithium métal, qui ne sont pas rechargeables, les batteries lithium-ion permettent l’intercalation réversible des ions lithium. Cette innovation révolutionnaire a valu à John Goodenough et Stan Winningham le prix Nobel de chimie. Les ions lithium subissent une diffusion à travers un fluide électrolytique organique, permettant leur mouvement de va-et-vient entre l'anode et la cathode.
Dans la partie suivante, nous approfondirons l’électrolyte organique et sa fonction pour faciliter le bon fonctionnement des batteries lithium-ion.
LCO, LMO, NCA
Commençons par évoquer la cathode et les sels de lithium habituellement utilisés dans les batteries lithium-ion. Le premier que nous étudierons est l’oxyde de lithium et de cobalt, largement répandu dans les ordinateurs portables, les outils électriques et les téléphones portables. Lorsque la batterie se décharge, le lithium se sépare de l'oxyde de lithium et de cobalt, libérant un électron qui traverse le chargeur jusqu'à l'anode. Cette procédure laisse de l'oxyde de cobalt sur la cathode.
Un autre sel utilisé comme matériau cathodique est l’oxyde de lithium et de manganèse. Ce type de cathode a été utilisé dans la Nissan Leaf et peut également être trouvé dans divers modèles Tesla comme le Model S, le Model 3 et le Model X.
Enfin, nous avons l’oxyde d’aluminium lithium-nickel-cobalt, qui offre la capacité énergétique la plus élevée en masse et en volume.
Causes de panne de batterie Li-ion
Afin d’éviter les pannes de batterie Li-ion, il est important d’être conscient des facteurs pouvant conduire à de tels problèmes. Examinons de plus près quelques causes courantes.
Évaporation des électrolytes organiques
Si une batterie Li-ion devient trop chaude, l'électrolyte organique qu'elle contient peut s'évaporer. Cette évaporation augmente la pression et la température à l'intérieur de la cellule. En conséquence, la batterie peut gonfler, indiquant la présence de conditions dangereuses.
Fusion du séparateur
Les batteries Li-ion utilisent généralement un séparateur en polyéthylène ou en polypropylène. Lorsqu'il est exposé à des températures autour de 80 degrés Celsius (170-180 degrés Fahrenheit), ce séparateur peut fondre. La fusion du séparateur permet à l'anode et à la cathode d'entrer en contact, entraînant un court-circuit interne et générant un supplément de chaleur.
Libération d'oxygène et réactions incontrôlées
Lorsqu'une batterie Li-ion atteint des températures élevées, l'oxygène présent dans les matériaux cathodiques comme l'oxyde de lithium-cobalt, l'oxyde de lithium-manganèse ou l'oxyde de lithium-nickel-cobalt-aluminium peut être libéré. Cet oxygène libéré peut réagir avec l’électrolyte évaporé, provoquant des réactions chimiques incontrôlées. Le court-circuit continu aggrave encore la situation, ce qui rend crucial d’y remédier rapidement.
Charge incontrôlée
Une surcharge de la batterie ou une charge incontrôlée peut entraîner la formation de lithium métallique sur l'anode. Les électrons en excès se combinent avec les ions lithium, formant des dendrites qui se développent à travers l’électrolyte et dans la cathode. Ces dendrites peuvent créer des courts-circuits internes, présentant de sérieux risques.
Chargement rapide et basses températures
Charger la batterie à des courants très élevés ou à des températures basses peut entraver le mouvement des ions lithium dans l'anode. Par conséquent, un excès d’électrons peut s’accumuler sur l’anode, provoquant un placage métallique au lithium et d’éventuels courts-circuits internes.
Décharge complète
Évitez de décharger complètement une cellule lithium-ion. Une décharge excessive peut provoquer la dissolution du collecteur de cuivre sur l'anode dans l'électrolyte. Lors de la recharge, le cuivre peut se reformer, mais pas dans sa structure originale en forme de feuille. Cela peut conduire à un placage de cuivre et entraîner un court-circuit interne.
Mauvaise production cellulaire et contamination
Des pannes de batterie Li-ion peuvent également survenir en raison de défauts de production ou de la présence d’impuretés lors de la fabrication. Ces impuretés peuvent introduire des contaminants ou des particules dans la batterie, entraînant des courts-circuits internes ou des réactions indésirables qui accélèrent la dégradation de la capacité.
En comprenant et en traitant ces causes de défaillance des batteries Li-ion, nous pouvons travailler à améliorer la sécurité, la fiabilité et la longévité des batteries dans diverses applications.
Prévenir les pannes de batterie
La prévention des problèmes dans l’industrie des batteries est cruciale pour sa croissance et son succès continus. Trois étapes clés peuvent être suivies pour minimiser efficacement l’apparition de problèmes.
Avant tout, garantir la qualité des cellules de batterie est de la plus haute importance. Avec l’expansion rapide de l’industrie, de nombreuses usines de fabrication de cellules ont vu le jour, notamment en Chine. Il est essentiel de sélectionner soigneusement des cellules de haute qualité provenant de fabricants réputés. Certaines installations disposent de processus automatisés haut de gamme et de haute technologie, tandis que d'autres ne répondent pas aux mêmes normes. Le choix de la qualité des cellules a un impact direct sur les performances globales et la fiabilité.
La conception de la batterie joue également un rôle essentiel dans la prévention des incidents. Les batteries sont constituées de plusieurs cellules disposées en configurations série et parallèle, créant la capacité de tension et de courant souhaitée. Lors de la conception d’un pack, il est essentiel de considérer une dissipation efficace de la chaleur en cas d’événements imprévus. Comprendre comment le pack réagira aux problèmes cellulaires potentiels est essentiel pour maintenir la sécurité. De plus, si le système nécessite de fournir des quantités importantes de courant, assurer une distribution efficace via des contacts et des circuits imprimés fiables devient primordial.
Au cœur de tout cela se trouve le système de gestion de batterie (BMS). Cet appareil sert de gardien de la batterie, surveillant en permanence les tensions, les courants et les températures pour garantir que les cellules fonctionnent dans des limites sûres. Dans toute batterie lithium-ion, la présence d'un BMS intégré ou externe est essentielle pour protéger les cellules. Le BMS assure non seulement la sécurité mais améliore également la longévité des batteries. Étant donné que les batteries lithium-ion peuvent durer beaucoup plus longtemps que les appareils de stockage conventionnels, il devient impératif de donner la priorité à leur protection pour une utilisation à long terme.
La prévention des problèmes dans l’industrie des batteries nécessite une attention particulière à la qualité des cellules, à la conception des packs et à la mise en œuvre d’un système de gestion de batterie fiable. Ces mesures collectives contribuent à la sécurité et à la durabilité globales des batteries lithium-ion, permettant à l'industrie de prospérer tout en minimisant les risques potentiels.
Importance des systèmes de gestion de batterie
Le système de gestion de batterie (BMS) joue un rôle crucial dans la surveillance et le contrôle des tensions, des courants et des températures d'une batterie. Sa fonction principale est de garantir que la batterie fonctionne dans des limites sûres. Si le BMS détecte des anomalies ou dépasse les limites des cellules, il a la capacité d'interrompre le processus de charge ou de décharge.
En termes plus simples, le BMS surveille les signes vitaux de la batterie. Il vérifie constamment les niveaux de tension, le flux de courant et la température pour s'assurer que tout fonctionne correctement. S'il détecte des problèmes, tels qu'une chaleur excessive ou une tension irrégulière, il peut prendre des mesures pour protéger la batterie.
L'une des tâches clés du BMS est d'empêcher la surcharge ou la décharge excessive de la batterie. Une surcharge peut endommager les cellules de la batterie et réduire leur durée de vie, tandis qu'une décharge excessive peut entraîner une dégradation des performances. Le BMS garantit que la batterie reçoit la quantité de charge appropriée et l'empêche d'être trop pleine ou trop vide.
Considérez le BMS comme le gardien de la batterie. Il est toujours aux aguets, prêt à intervenir et à protéger la batterie des dommages potentiels. En surveillant et en régulant les paramètres de la batterie, le BMS contribue à prolonger sa durée de vie globale et à maintenir des performances optimales.
Quelles fonctionnalités doivent être présentes sur un BMS ?
Nous souhaitons partager mon avis sur les exigences minimales d'un BMS pour assurer la protection et la longévité du pack batterie.
Premièrement, la protection contre la tension est essentielle. Il est crucial d’éviter une surcharge et une décharge excessive de la batterie. Nous devons maintenir une plage de tension sûre pour éviter d’endommager les cellules et maximiser leur durée de vie. Soit dit en passant, nous devrions également envisager d'empêcher le pack de délivrer des courants dépassant sa capacité, non seulement au niveau des cellules mais également pour l'ensemble du pack.
La protection de la température est un autre aspect essentiel. Lorsque les températures montent trop haut, cela peut entraîner des risques et des pannes potentiels. Il est donc crucial de disposer de mécanismes pour surveiller et contrôler les températures élevées. De même, il est important d’avoir une protection contre la charge à basse température pour éviter des problèmes tels que le placage de lithium métallique sur l’anode dus à des conditions excessivement froides.
En outre, une fonctionnalité utile, bien que non absolument nécessaire, est la capacité à équilibrer les cellules au sein d’une série. Les cellules en parallèle partagent naturellement le courant et la tension, mais pas les cellules en série. Pour maintenir un état de charge uniforme (SOC) entre les cellules, un mécanisme d'équilibrage ou une capacité de partage de courant supplémentaire est requis.
Enfin, même si nous n’avons pas abordé les normes spécifiques aux tests tiers, il convient de mentionner qu’il existe des normes existantes que les laboratoires de tests tiers peuvent utiliser pour évaluer la conformité.
Normes
Il existe souvent une confusion concernant les différentes listes de cellules, de blocs-batteries et de systèmes de gestion de batterie. Clarifions un peu les choses. Les cellules lithium-ion peuvent être testées et répertoriées selon les normes UL 1642 ou CEI 62133.
Les batteries, en revanche, ont leurs propres listes. Ils peuvent être répertoriés sous UL 2050 ou UL 1973, qui exigent tous deux la conformité à UL 1642 comme condition préalable. Il est important de noter que la norme UL 1642 en elle-même n’est pas une liste de packs mais plutôt une condition préalable à ces listes de packs.
Dans le but de créer une liste qui s'applique à la fois aux cellules et aux packs, la CEI a introduit la norme CEI 62133. Cependant, il convient de mentionner que les systèmes de gestion de batterie (BMS) ont également leurs propres listes distinctes.
Pour le matériel, le BMS peut être répertorié selon UL 991, tandis que pour les logiciels, il peut être répertorié selon UL 1998 ou CEI 60730-1. Il est important de noter que les normes UL 991 et UL 1998 ne sont pas des conditions préalables aux homologations UL 2054 ou UL 1973.
Cependant, si votre BMS n'est pas répertorié selon ces normes, vous devrez effectuer des tests en utilisant des conditions de panne pour vous assurer que même en cas de panne, une situation dangereuse n'est pas créée.
Il est important de rappeler qu’il ne s’agit pas d’une liste exhaustive de normes, mais je souhaitais souligner leur existence et apporter quelques précisions.
Conclusion
En comprenant le principe de fonctionnement des batteries lithium-ion et en prenant en compte des facteurs tels que la qualité des cellules, la conception du pack et un système de gestion de batterie robuste, nous pouvons améliorer la sécurité et la fiabilité des batteries. Le respect des normes pertinentes et la réalisation de tests approfondis contribuent également à l’utilisation sûre et efficace des batteries lithium-ion.
Grâce aux progrès technologiques continus et à l’accent mis sur la sécurité, les batteries lithium-ion continueront de jouer un rôle important dans notre monde électrifié, alimentant diverses applications tout en atténuant les risques.
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