La sécurité des batteries au lithium à haute teneur en nickel est devenue un consensus, mais les batteries au lithium à semi-conducteurs sont désormais divisées
Un marché du véhicule électrique respectueux de la densité énergétique a posé d'énormes défis en matière de sécurité des packs batteries et des véhicules complets. En 2018, il y a eu 52 accidents de sécurité par million de véhicules électriques en Chine. En termes de scènes, la charge, la conduite et le stationnement sont toutes des scènes où se produisent des accidents de sécurité.
Si les raisons sont analysées, 58% des accidents d'incendie sont causés par un emballement thermique des batteries au lithium. Près de 90 % des emballements thermiques sont causés par des courts-circuits. Au niveau de la cellule, les matériaux positifs et négatifs, l'électrolyte et le diaphragme sont le fusible direct pour l'emballement thermique. Après le regroupement, la manière de supprimer la diffusion thermique dans la conception structurelle, le refroidissement et le contrôle électrique est liée à la question de savoir si le risque d'emballement thermique peut être réduit ou étouffé.
Du 16 au 17 octobre 2019, la conférence 2019 Chine-Japon-Corée sur la technologie des batteries de véhicules à énergie nouvelle de nouvelle génération s'est tenue à Shanghai. La conférence est divisée en deux forums, les sujets sont la sécurité et les solutions thermiques des batteries et les défis technologiques clés et d'industrialisation des batteries à semi-conducteurs.
Forum 1, les équipementiers, les sociétés de batteries d'alimentation, les universités, les laboratoires et les instituts de test renommés discuteront des causes et des solutions à l'emballement thermique des batteries à haute teneur en nickel alors que le niveau d'énergie spécifique des batteries d'alimentation continue d'augmenter. Le Forum 2 porte sur l'analyse des différentes voies technologiques des batteries à semi-conducteurs et du statu quo.
Système pour voir la sécurité thermique
Le cycle de vie complet d'une batterie de puissance commence depuis la sélection du système de matériaux, jusqu'à la réalisation de la cellule de batterie, le moulage des modules et des PACKs, la gestion de la batterie après installation et application, jusqu'à l'utilisation dans le fonctionnement du véhicule.
La cause principale de l'emballement thermique est la cellule de la batterie. Les électrodes positive et négative sont les"fusible" et l'électrolyte est le"stockage de carburant". Il n'a besoin que d'un"étincelle" provoquer un emballement thermique ou un incendie.
& quot;Étincelles" proviennent soit de l'intérieur de la cellule, soit de l'extérieur. Les facteurs internes font principalement référence aux facteurs instables générés lors de la conception et de la fabrication de la batterie ; les facteurs externes se réfèrent principalement aux raisons causées par le personnel et les conditions externes pendant le transport, l'installation, le fonctionnement et la maintenance de la batterie.
La défaillance de la sécurité thermique de la batterie est principalement causée par une surchauffe locale, qui provoque un court-circuit à l'intérieur de la batterie, ou un micro-court-circuit endommage le diaphragme de la batterie et un court-circuit sur une plus grande surface.
Les batteries lithium-ion ont été mises à niveau de NCM111 et NCM523 à NCM622 et NCM811. La teneur en nickel du matériau ternaire d'électrode positive continue d'augmenter, la température de libération d'oxygène continue de baisser et la stabilité thermique du matériau d'électrode positive se dégrade de plus en plus. La diminution de la température de libération d'oxygène signifie que la batterie au lithium est plus résistante à la chaleur. À mesure que la température augmente, le matériau de l'électrode positive passe d'une structure en couches à une structure de spinelle, puis forme du sel gemme et libère de l'oxygène actif. La croissance du sel gemme et la libération d'oxygène sont les problèmes fondamentaux causés par l'emballement thermique.
L'abus électrochimique est le problème le plus difficile pour les usines de cellules de batterie. Dans des conditions d'abus telles qu'un choc thermique, une surcharge et une décharge excessive, le matériau actif et l'électrolyte à l'intérieur de la batterie produiront des dendrites de lithium, qui perceront le diaphragme et provoqueront un court-circuit interne. Le dégagement de lithium dans l'électrode négative est une cause majeure de la croissance des dendrites de lithium. Par conséquent, comment prévenir les dendrites au lithium est une question importante.
Le court-circuit des électrodes positive et négative causé par la défaillance du diaphragme est une partie importante de l'emballement thermique. Lorsque le film de sécurité du film SEI est détruit, l'électrolyte réagit avec l'électrode pour générer de la chaleur, qui fera fondre le diaphragme. De plus, l'ennemi qui fait face au diaphragme est les dendrites de lithium, menaçant son intégrité et sa stabilité.
En plus de la défaillance de la batterie causée par un court-circuit interne, une surcharge, le vieillissement de la batterie, etc., une défaillance mécanique dans des conditions extrêmes telles qu'un court-circuit externe, une extrusion, un incendie, une immersion et une collision simulée sera également convertie en court-circuit interne et provoquera des défaillance, ce qui conduira éventuellement à un emballement thermique.
Certaines défaillances et dégradations des performances qui peuvent survenir pendant le cycle de vie complet de la batterie' entraîneront une utilisation des batteries au-delà de la plage d'utilisation sûre et provoqueront des accidents de sécurité.
L'usine de batteries et l'OEM travaillent ensemble
Les causes internes et externes de l'emballement thermique nécessitent la coopération des fabricants de batteries et des équipementiers pour fournir une solution globale, y compris les matériaux positifs et négatifs, les séparateurs, l'électrolyte, la gestion des batteries et la conception de la structure PACK.
Pour les usines de batteries, recherchez des électrolytes ignifuges résistants aux hautes pressions et aux hautes températures, des matériaux de cathode monocristalline résistant aux hautes températures, des matériaux d'anode qui inhibent les dendrites de lithium, ou utilisez des cathodes NMC811 recouvertes d'agents de protection pour améliorer la sécheresse. L'application du diaphragme français introduit un diaphragme en céramique pour supprimer l'emballement thermique au niveau de la cellule.
Pour les équipementiers, prêter attention à la sécurité de la batterie elle-même est loin d'être suffisant. En plus des problèmes de la batterie elle-même, la connexion électrique de la batterie, la sécurité mécanique, la connexion de charge, les problèmes d'utilisation quotidienne et la gestion rapide des problèmes sont au cœur de la sécurité des véhicules électriques.
Le système de protection de sécurité de la batterie d'alimentation OEM' est conçu et vérifié à partir de quatre aspects : monomère, module, BMS et système. D'une part, les fabricants de batteries assurent eux-mêmes la sécurité dès les maillons de conception et de fabrication. D'autre part, les équipementiers considèrent la sécurité mécanique, électrique et thermique du point de vue de la sécurité des modules, tels que l'espace de sécurité, la conception de la force et la protection.
En termes de structure d'assemblage, les équipementiers doivent prendre en compte diverses conditions de fonctionnement du véhicule, ainsi que les canalisations de refroidissement, les nouvelles technologies de refroidissement, l'alerte précoce en cas d'emballement thermique et la non-prolifération. Dans le même temps, ils doivent envisager l'extinction active des incendies et la manière d'éteindre les incendies à travers des structures externes.
Les OEM réfléchissent généralement à la manière d'améliorer la conception de la sécurité des blocs-batteries au niveau du système. Qu'il s'agisse de matériaux d'électrodes positives et négatives, d'électrolytes, de diaphragmes, la conception structurelle, le refroidissement, la gestion thermique et les avertissements de précaution du PACK après le groupe sont tous des objets d'analyse OEM.
La sécurité des batteries au lithium est un sujet important, qui implique tous les aspects, des matériaux à la production en passant par les applications. Assurer la sécurité thermique des véhicules électriques nécessite la coopération des équipementiers, des usines de batteries et des instituts de test pour analyser le mécanisme de l'emballement thermique et explorer de nouvelles technologies pour retarder l'apparition d'un emballement thermique.
Différents sons de batteries à semi-conducteurs
Le mouvement vers l'avant des véhicules électriques indique que la norme énergétique spécifique des batteries de puissance ne reculera pas. L'application de matériaux positifs et négatifs à fort potentiel est devenue une tendance, et les anodes carbone NCM811 et silicium font de plus en plus leur apparition dans les circuits techniques des usines de batteries. Mais le risque d'incendie menace toujours l'application de batteries à haute teneur en nickel. Par conséquent, les fabricants de batteries et les équipementiers se sont tournés vers les électrolytes à l'état solide ignifuges et résistants aux hautes pressions, dans l'espoir de résoudre le problème de l'équilibre entre l'énergie spécifique et la sécurité.
Cependant, lors de cette conférence Chine-Japon-Corée, les points de vue des invités chinois et japonais sur la recherche et l'application des batteries à semi-conducteurs sont très différents, remettant en cause les vues inhérentes de l'industrie's sur les batteries à semi-conducteurs . Par rapport aux efforts concertés du site de la solution de sécurité à haute teneur en nickel, le site des batteries à semi-conducteurs avance dans les différences.
Le Dr Tadahiko Kubota, expert japonais des batteries à semi-conducteurs depuis 30 ans, l'ancien expert japonais des batteries Toyota et Honda Ogi Eiki, commente l'état actuel de la recherche sur les batteries à semi-conducteurs peut être décrit comme" pessimiste" ;. Il est assez difficile d'appliquer des batteries à l'état solide aux véhicules électriques. D'autre part, les usines de batteries nationales telles que Qingtao, Weilan, Huineng, Guoxuan Hi-Tech, l'Académie chinoise des sciences, l'Université Tongji et l'Université Jiaotong de Shanghai travaillent toutes sans relâche sur les batteries à semi-conducteurs.
Les opinions des experts japonais peuvent être résumées comme suit : Toyota Sulfide est encore au stade de la recherche et du développement, et la production de masse est impossible avec le niveau de technologie actuel. Son intention initiale de développer des batteries à semi-conducteurs était de réduire les batteries pour les véhicules hybrides. Le monde extérieur croit à tort que les batteries à semi-conducteurs sont utilisées dans les véhicules électriques. C'est la différence entre la pensée interne de Toyota's et l'opinion publique externe.
En termes de sécurité, les batteries à semi-conducteurs peuvent également produire des dendrites au lithium, et la sécurité est très préoccupante. Et juger de sa sécurité ne peut pas être jugé par le fait que l'électrolyte est inflammable. Le problème le plus important est le contact direct entre l'électrode positive et l'électrode négative à haute densité d'énergie.
Les batteries entièrement à semi-conducteurs peuvent augmenter la densité énergétique, l'une des raisons est que les matériaux externes peuvent être réduits. Mais ce n'est pas seulement une caractéristique caractéristique des batteries tout solide.
En termes de charge rapide, l'article de Toyota' et la plupart des chercheurs n'ont confirmé aucune preuve que toutes les batteries à semi-conducteurs peuvent être chargées rapidement. Ils ont tous dit que les dendrites de lithium se forment pendant la charge. Plus il y a de gens qui comprennent les batteries tout solide, plus ils nient qu'elles peuvent être rechargées rapidement.
La plupart des brevets de Toyota' au cours de la dernière décennie sont liés à l'impédance. Il étudie ce problème depuis dix ans, et c'est toujours un gros problème.
Vues des usines de batteries domestiques : La propagation des incendies réels est directement liée aux électrolytes liquides organiques. Les électrolytes solides allant des polymères aux électrolytes céramiques peuvent améliorer la sécurité des batteries à des degrés divers. En termes de sécurité et de densité énergétique, les batteries à semi-conducteurs ont été améliorées par rapport aux batteries lithium-ion traditionnelles conventionnelles dans le passé. Le principe est que nous devons disposer d'une bonne technologie pour résoudre le problème de l'interface et garantir que l'électrolyte solide puisse s'adapter à la conception de la batterie et répondre aux exigences de la batterie à rapport énergétique élevé.
Nous pensons que les batteries à semi-conducteurs présentent des avantages à certains égards. Lorsque le diaphragme et l'électrolyte sont remplacés par des substances solides, la sécurité est plus élevée. Lorsque le seuil de sécurité de l'ensemble du système est augmenté, ce système peut utiliser des matériaux positifs et négatifs à haut potentiel, tels que des électrodes négatives au lithium métal, et aura une densité d'énergie plus élevée à l'avenir.
La réflexion actuelle est d'être autant que possible compatible avec les équipements de batteries au lithium et la technologie des batteries au lithium existants, et de réduire au maximum les coûts. Étant donné que les batteries à semi-conducteurs ont une densité d'énergie élevée et une sécurité élevée, elles peuvent être utilisées en premier dans certaines situations particulières.
L'avantage de densité d'énergie des batteries à semi-conducteurs n'est relativement pas évident au niveau de la cellule, et est plus important au niveau du PACK. D'ici 2021, les batteries à semi-conducteurs utiliseront des matériaux actifs avec des taux d'utilisation plus élevés, et la densité énergétique au niveau de la cellule sera la même que celle des batteries liquides, puis la dépassera progressivement.
Bien que les experts nationaux et étrangers aient des différends sur la densité énergétique et la sécurité des batteries à semi-conducteurs, ils croient fondamentalement que l'application commerciale des batteries à semi-conducteurs est un long processus afin de résoudre certaines des lacunes des batteries liquides. Par conséquent, les batteries à semi-conducteurs peuvent d'abord être importées des domaines de la moto et de l'électronique grand public, puis entrer dans le domaine des véhicules électriques lorsque les trois dimensions de la sécurité, des performances et du coût sont matures.
