Analyse des causes de gonflement et d'explosion des batteries au lithium
May 16, 2025Analyse des causes de gonflement et d'explosion des batteries au lithium
Le principe de fonctionnement des batteries lithium-ion
Le lithium est le métal le plus petit et le plus actif du tableau périodique des éléments chimiques. Il est apprécié des consommateurs et des ingénieurs en raison de sa petite taille et de sa forte densité de capacité. Cependant, ses propriétés chimiques sont trop actives, ce qui présente un danger extrêmement élevé. Au contact de l'air, le lithium métallique provoque une violente réaction d'oxydation avec l'oxygène et une explosion. Afin d'améliorer la sécurité et la tension, les scientifiques ont inventé des matériaux tels que le graphite et l'oxyde de cobalt et de lithium pour stocker les atomes de lithium. La structure moléculaire de ces matériaux forme de minuscules grilles de stockage à l'échelle nanométrique, permettant ainsi le stockage des atomes de lithium. Ainsi, même si la coque de la batterie se brise et que de l'oxygène pénètre, les molécules d'oxygène sont trop grosses pour pénétrer ces minuscules grilles de stockage, empêchant ainsi le contact des atomes de lithium avec l'oxygène et évitant ainsi l'explosion. Ce principe des batteries lithium-ion assure la sécurité tout en bénéficiant d'une forte densité de capacité.
Le lithium est le métal le plus petit et le plus actif du tableau périodique des éléments chimiques. Il est apprécié des consommateurs et des ingénieurs en raison de sa petite taille et de sa forte densité de capacité. Cependant, ses propriétés chimiques sont trop actives, ce qui présente un danger extrêmement élevé. Au contact de l'air, le lithium métallique provoque une violente réaction d'oxydation avec l'oxygène et une explosion. Afin d'améliorer la sécurité et la tension, les scientifiques ont inventé des matériaux tels que le graphite et l'oxyde de cobalt et de lithium pour stocker les atomes de lithium. La structure moléculaire de ces matériaux forme de minuscules grilles de stockage à l'échelle nanométrique, permettant ainsi le stockage des atomes de lithium. Ainsi, même si la coque de la batterie se brise et que de l'oxygène pénètre, les molécules d'oxygène sont trop grosses pour pénétrer ces minuscules grilles de stockage, empêchant ainsi le contact des atomes de lithium avec l'oxygène et évitant ainsi l'explosion. Ce principe des batteries lithium-ion assure la sécurité tout en bénéficiant d'une forte densité de capacité.
Lors de la charge d'une batterie lithium-ion, les atomes de lithium de l'électrode positive perdent des électrons et s'oxydent en ions lithium. Ces derniers traversent l'électrolyte pour atteindre l'électrode négative, pénètrent dans la cellule de stockage de l'électrode négative et obtiennent un électron qui sera réduit en atomes de lithium. Lors de la décharge, le processus est inversé. Afin d'éviter tout contact direct et court-circuit entre les électrodes positive et négative de la batterie, un papier diaphragme à pores multiples est ajouté à la batterie. Un papier diaphragme de qualité peut également fermer automatiquement les pores lorsque la température de la batterie est trop élevée, empêchant ainsi le passage des ions lithium et prévenant ainsi tout danger.
Lorsqu'une cellule de batterie au lithium est surchargée à une tension supérieure à 4,2 V, des effets secondaires apparaissent. Plus la tension de surcharge est élevée, plus le danger est grand. Lorsque la tension de la cellule dépasse 4,2 V, le nombre d'atomes de lithium restant dans le matériau de l'électrode positive est inférieur à la moitié, et la cellule de stockage s'effondre souvent à ce moment-là, entraînant une diminution permanente de la capacité de la batterie. Si la charge se poursuit, la cellule de stockage de l'électrode négative étant déjà chargée en atomes de lithium, du lithium métallique s'accumule à la surface du matériau de l'électrode négative. Ces atomes de lithium forment des dendrites depuis la surface de l'électrode négative vers les ions lithium. Ces cristaux de lithium métallique traversent le papier du diaphragme, provoquant un court-circuit entre les électrodes positive et négative. Il arrive que la batterie explose avant que le court-circuit ne se produise. En effet, pendant la surcharge, l'électrolyte et d'autres matériaux se décomposent pour produire du gaz, provoquant le gonflement et la rupture de la coque ou de la soupape de pression de la batterie, permettant à l'oxygène de pénétrer et de réagir avec les atomes de lithium accumulés à la surface de l'électrode négative, puis d'exploser. Par conséquent, lors de la charge des batteries au lithium, il est nécessaire de définir une limite de tension supérieure afin de prendre en compte simultanément la durée de vie, la capacité et la sécurité de la batterie. La limite supérieure idéale de tension de charge est de 4,2 V.
Il existe également une limite de tension inférieure lors de la décharge des batteries au lithium. Lorsque la tension de la batterie est inférieure à 2,4 V, certains matériaux commencent à être endommagés. Comme la batterie s'autodécharge, plus la décharge est longue, plus la tension diminue. Il est donc préférable de ne pas arrêter la décharge à 2,4 V. Pendant la période de décharge de la batterie au lithium de 3,0 V à 2,4 V, l'énergie libérée ne représente qu'environ 3 % de sa capacité. 3,0 V est donc une tension de coupure idéale.
Lors de la charge et de la décharge, outre la limitation de la tension, une limitation du courant est également nécessaire. Lorsque le courant est trop important, les ions lithium n'ont pas le temps de pénétrer dans la cellule de stockage et s'accumulent à la surface du matériau. Une fois les ions lithium acquis, les atomes de lithium cristallisent à la surface du matériau, ce qui est dangereux, tout comme une surcharge. Si la coque de la batterie se brise, elle explosera.
Par conséquent, la protection des batteries lithium-ion doit au moins inclure : la limite supérieure de la tension de charge, la limite inférieure de la tension de décharge et la limite supérieure du courant.
En général, en plus de la cellule de batterie au lithium, la batterie au lithium est équipée d'un panneau de protection, qui assure principalement ces trois protections. Cependant, ces trois protections ne suffisent manifestement pas, et les explosions de batteries au lithium restent fréquentes dans le monde. Pour garantir la sécurité du système de batterie, une analyse plus approfondie des causes d'explosion est nécessaire.
Les types d'explosions de cœur de batterie peuvent être résumés comme suit : courts-circuits externes, courts-circuits internes et surcharges. Le terme « externe » désigne ici l'extérieur de la cellule de batterie, y compris les courts-circuits causés par une mauvaise isolation interne de la batterie.
Lorsqu'un court-circuit se produit à l'extérieur de la cellule de batterie et que les composants électroniques ne parviennent pas à couper le circuit, une forte chaleur se dégage à l'intérieur de la cellule, provoquant la vaporisation d'une partie de l'électrolyte et la dilatation de la coque. Lorsque la température interne de la batterie atteint 135 °C, un papier diaphragme de bonne qualité obture les pores, la réaction électrochimique s'arrête ou est presque terminée, le courant chute brutalement et la température baisse lentement, évitant ainsi l'explosion. En revanche, si la fermeture des pores est insuffisante ou si les pores du papier diaphragme ne sont pas obturés du tout, la température de la batterie continue d'augmenter, une plus grande quantité d'électrolyte se vaporise et, finalement, la coque de la batterie se brise, et la température de la batterie augmente même au point de brûler et d'exploser.
Les courts-circuits internes sont principalement causés par des bavures sur les feuilles de cuivre et d'aluminium pénétrant le diaphragme, ou par des dendrites d'atomes de lithium pénétrant le diaphragme. Ces minuscules aiguilles métalliques provoquent des micro-courts-circuits. Comme les aiguilles sont très fines et présentent une certaine résistance, le courant peut être faible. Les bavures sur les feuilles de cuivre et d'aluminium apparaissent lors du processus de production. Le phénomène observé est une fuite trop rapide de la batterie, et la plupart de ces fuites peuvent être éliminées par l'usine de fabrication ou d'assemblage de cellules. De plus, comme les bavures sont petites, elles peuvent parfois être brûlées, ce qui permet à la batterie de revenir à la normale. Par conséquent, le risque d'explosion dû à un micro-court-circuit dû à des bavures est faible.
Cette affirmation est statistiquement corroborée par le fait que, dans chaque usine de batteries, on trouve souvent des batteries défectueuses présentant une basse tension peu après leur charge, mais que les explosions sont rares. Par conséquent, l'explosion causée par un court-circuit interne est principalement due à une surcharge. Après une surcharge, l'électrode est remplie de cristaux de lithium métal en forme d'aiguilles, des points de perforation sont présents partout et des micro-courts-circuits se produisent partout. Par conséquent, la température de la batterie augmente progressivement, jusqu'à ce que la température élevée gazéifie l'électrolyte. Dans ce cas, que la température soit trop élevée pour provoquer la combustion et l'explosion du matériau, ou que la coque soit brisée en premier, laissant l'air pénétrer et s'oxyder violemment avec le lithium métal, l'explosion se terminera par une explosion.
Cependant, cette explosion causée par un court-circuit interne dû à une surcharge ne se produit pas nécessairement au moment de la charge. Il est possible que la température de la batterie ne soit pas suffisamment élevée pour provoquer l'inflammation du matériau et que le gaz généré ne soit pas suffisant pour briser la coque de la batterie. L'utilisateur interrompt alors la charge et retire son téléphone. À ce moment-là, la chaleur générée par de nombreux micro-courts-circuits augmente lentement la température de la batterie et, après un certain temps, l'explosion se produit. Les utilisateurs décrivent souvent que leur téléphone est très chaud lorsqu'ils le prennent en main, et qu'il explose dès qu'ils le jettent.
Compte tenu des types d'explosions mentionnés ci-dessus, nous pouvons nous concentrer sur trois aspects de la prévention des explosions : la prévention des surcharges, la prévention des courts-circuits externes et l'amélioration de la sécurité des cellules de batterie. Parmi ces aspects, la prévention des surcharges et des courts-circuits externes relève de la protection électronique, étroitement liée à la conception et à l'assemblage des batteries. La clé de l'amélioration de la sécurité des cellules de batterie réside dans la protection chimique et mécanique, étroitement liée aux fabricants de cellules.
Compte tenu du nombre de centaines de millions de téléphones portables dans le monde, pour garantir la sécurité, le taux de défaillance des protections doit être inférieur à un sur 100 millions. Le taux de défaillance des circuits imprimés étant généralement bien supérieur à un sur 100 millions, la conception d'un système de batterie nécessite plus de deux lignes de défense. Une erreur de conception courante consiste à utiliser un chargeur (adaptateur) pour charger directement la batterie. De cette façon, la protection contre les surcharges est entièrement transférée à la carte de protection de la batterie. Bien que le taux de défaillance de la carte de protection soit faible, même s'il est aussi faible qu'un sur 1 million, des accidents d'explosion peuvent survenir chaque jour dans le monde.
Si le système de batterie peut fournir deux protections de sécurité contre la surcharge, la décharge excessive et la surintensité, respectivement, si le taux de défaillance de chaque protection est de un sur dix mille, les deux protections peuvent réduire le taux de défaillance à un sur cent millions. Le schéma fonctionnel d'un système de charge de batterie courant est le suivant : il comprend deux éléments principaux : le chargeur et la batterie. Le chargeur comprend également deux éléments : l'adaptateur et le contrôleur de charge. L'adaptateur convertit le courant alternatif en courant continu, tandis que le contrôleur de charge limite le courant et la tension maximum du courant continu. La batterie est composée de deux éléments : la carte de protection et la cellule de batterie, ainsi qu'un PTC pour limiter le courant maximum.
Prenons l'exemple d'une batterie de téléphone portable : le système de protection contre les surcharges utilise la tension de sortie du chargeur réglée à environ 4,2 V pour assurer le premier niveau de protection. Ainsi, même en cas de défaillance de la carte de protection de la batterie, la batterie ne sera pas surchargée et ne présentera aucun danger. Le deuxième niveau de protection est la fonction de protection contre les surcharges de la carte de protection, généralement réglée à 4,3 V. Ainsi, la carte de protection n'intervient pas dans la coupure du courant de charge. Elle n'intervient que lorsque la tension du chargeur est anormalement élevée. La protection contre les surintensités est assurée par la carte de protection et le limiteur de courant, qui constituent également deux niveaux de protection pour prévenir les surintensités et les courts-circuits externes. La décharge excessive ne se produisant que lors de l'utilisation d'appareils électroniques, la carte de protection de l'appareil assure la première protection, tandis que la carte de protection de la batterie assure la seconde. Lorsque l'appareil détecte une tension d'alimentation inférieure à 3,0 V, il s'éteint automatiquement. Si cette fonction n'est pas conçue lors de la conception du produit, la carte de protection fermera le circuit de décharge lorsque la tension est aussi basse que 2,4 V.
En résumé, lors de la conception d'un système de batterie, deux protections électroniques doivent être prévues contre la surcharge, la décharge excessive et la surintensité. La carte de protection constitue la seconde protection. Si la batterie explose après le retrait de la carte de protection, cela signifie que la conception est défectueuse.
Bien que la méthode décrite ci-dessus offre deux protections, les consommateurs achètent souvent des chargeurs non originaux pour recharger leurs batteries après une panne, et les fabricants suppriment souvent le contrôleur de charge pour réduire les coûts. Par conséquent, l'argent mal placé remplace l'argent sûr, et de nombreux chargeurs de mauvaise qualité apparaissent sur le marché. La protection contre la surcharge perd alors sa première et principale ligne de défense. La surcharge est la principale cause d'explosion des batteries ; les chargeurs de mauvaise qualité peuvent donc être considérés comme responsables de ces explosions.
Bien entendu, tous les systèmes de batterie n'utilisent pas la solution illustrée ci-dessus. Dans certains cas, la batterie est également équipée d'un contrôleur de charge. Par exemple, de nombreuses batteries externes pour ordinateurs portables sont équipées d'un contrôleur de charge. En effet, les ordinateurs portables intègrent généralement ce contrôleur et ne fournissent qu'un adaptateur. Par conséquent, la batterie externe d'un ordinateur portable doit être équipée d'un contrôleur de charge pour garantir sa sécurité lors de la charge avec un adaptateur. De plus, les produits utilisant l'allume-cigare de la voiture ont parfois un contrôleur de charge intégré.
Si toutes les mesures de protection électronique échouent, la dernière ligne de défense sera assurée par la batterie. Le niveau de sécurité de la batterie peut être grossièrement divisé en niveaux selon sa capacité à résister aux courts-circuits externes et aux surcharges. Avant l'explosion de la batterie, si des atomes de lithium s'accumulent à la surface du matériau interne, l'explosion sera plus puissante. De plus, la protection contre la surcharge n'a souvent qu'une seule ligne de défense, car les consommateurs utilisent des chargeurs de qualité inférieure. Par conséquent, la capacité de la batterie à résister à la surcharge est plus importante que sa résistance aux courts-circuits externes.
En comparant la sécurité des batteries à coque en aluminium avec celle des batteries à coque en acier, les coques en aluminium présentent un avantage de sécurité supérieur à celui des coques en acier.
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