Garantir la sécurité et les performances des batteries au lithium à des températures extrêmes


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Les batteries au lithium-ion sont répandues dans tous les aspects de notre vie, des téléphones portables aux appareils électroniques grand public bon marché en passant par les véhicules électriques. Cependant, il existe des cas où les batteries doivent fonctionner en continu et pendant des durées plus longues que celles des produits grand public. Les équipements industriels, de télécommunications et militaires sont exposés à des températures plus extrêmes que l'électronique grand public et le fonctionnement de la batterie à ces températures est une exigence, pas une considération. Les batteries rechargeables pour les appareils portables renforcés et les systèmes de stockage d'énergie sur batterie (BESS) doivent fonctionner dans des environnements extrêmement chauds et froids où la température peut nuire aux performances, à la sécurité et à la durée de vie d'une batterie.


Les batteries lithium-ion ont des densités d'énergie élevées (jusqu'à 705 Wh/litre) et des densités de puissance (jusqu'à 1 à 10 000 W/litre), ce qui les rend idéales pour une large gamme d'applications de stockage d'énergie et d'alimentation . La température, en tant que facteur critique, 2 impacte significativement les performances, la capacité et la sécurité des batteries lithium-ion, ce qui limite leurs applications. Ainsi, une mesure précise des températures à l'intérieur des batteries lithium-ion et la compréhension des effets de la température sont importantes pour une gestion et une sécurité appropriées des batteries. Dans ce mémoire, nous discutons des effets de la température sur les stratégies d'atténuation des batteries lithium-ion pour inclure la chimie LiFePo4 utilisée dans les produits Sol Donum™.


Batteries de stockage d'énergie courantes utilisées aujourd'hui


Trois types courants de batteries rechargeables sont utilisés dans des applications allant de l'électronique grand public et de l'automobile aux télécommunications et à l'armée. Ils sont:


    Les batteries plomb-acide scellées (SLA) et plomb-acide gel (AGM) existent depuis les années 1850 et sont le plus ancien type de batterie rechargeable. Les batteries SLA et AGM sont bon marché et fonctionnent lorsqu'elles sont exposées à des environnements extrêmes -40°C à 70°C. Ils ont une densité d'énergie et des performances médiocres, une courte durée de vie de généralement 6 mois et nécessitent un espace important pour des implémentations significatives. Les batteries au nickel-hydrure métallique (NiMH) ont supplanté le nickel-cadmium (NiCad) en raison du cadmium métallique hautement toxique utilisé dans ces batteries. Les cellules NiMH ont des densités d'énergie améliorées par rapport à SLA et AGM, fonctionnent efficacement entre -20°C et 60°C mais ont des taux d'autodécharge très élevés d'environ 30 % par mois, ce qui les rend impraticables pour les applications de stockage à long terme. La technologie lithium-ion, introduite commercialement en 1991, a la densité d'énergie la plus élevée disponible actuellement. Il convient aux appareils portables, au stockage d'énergie et aux véhicules électriques (VE). Les batteries lithium-ion fonctionnent efficacement entre -20°C et 60°C mais nécessitent un haut degré de protection. Cela comprend des évents de pression (dans chaque cellule) et un système de gestion de batterie (BMS) pour éviter les problèmes de surtension, de sous-tension et d'emballement thermique.


1) La densité d'énergie est l'énergie stockée par unité de volume ou de poids comme la quantité d'énergie électrique libérée par unité de volume ou de poids de la batterie.

2) Progrès des sciences naturelles : Materials International 28 (2018) 653-666

Qu'est-ce qu'une batterie lithium-ion exactement 3


Le lithium-ion est une technologie de batterie avancée qui utilise des ions lithium comme composant clé de son électrochimie. Au cours d'un cycle de décharge, les atomes de lithium de l'anode sont ionisés et séparés de leurs électrons. Les ions lithium se déplacent de l'anode et traversent l'électrolyte jusqu'à ce qu'ils atteignent la cathode, où ils se recombinent avec leurs électrons et se neutralisent électriquement. Les ions lithium sont suffisamment petits pour pouvoir se déplacer à travers un séparateur micro-perméable entre l'anode et la cathode. En partie à cause de la petite taille du lithium (troisième seulement derrière l'hydrogène et l'hélium), les batteries lithium-ion sont capables d'avoir une tension très élevée et une charge de stockage par unité de masse et de volume unitaire.


Les batteries lithium-ion peuvent utiliser un certain nombre de matériaux différents comme électrodes. La combinaison la plus courante est celle de l'oxyde de lithium-cobalt (cathode) et du graphite (anode), que l'on trouve le plus souvent dans les appareils électroniques portables tels que les téléphones portables et les ordinateurs portables. D'autres matériaux de cathode comprennent l'oxyde de manganèse au lithium (utilisé dans les automobiles hybrides électriques et électriques) et le phosphate de fer au lithium. Les batteries Li-ion utilisent généralement de l'éther (une classe de composés organiques) comme électrolyte.


Types de batteries lithium-ion courants et leurs caractéristiques


Les batteries lithium-ion, figure 1, sont classées selon la chimie de l'électrolyte (le liquide ou la pâte utilisé pour transporter les ions chargés positivement), la cathode ( ) et l'anode (-), qui détermine la densité d'énergie, les cycles de fonctionnement, la température gamme et d'autres paramètres de fonctionnement. Le tableau 1 compare les principales caractéristiques de fonctionnement de cinq (5) chimies de batterie au lithium courantes utilisées aujourd'hui. Ceux-ci sont utilisés pour les applications de l'électronique grand public et des véhicules électriques, les applications industrielles telles que l'automatisation et la robotique, les applications de stockage des services publics reliés au réseau, les alimentations sans coupure (UPS), les télécommunications et les systèmes de stockage d'énergie de batterie localisés (BESS).


3) Institut de l'énergie propre, Université de Washington


Figure 1. Structure interne de la batterie lithium-ion.

Effets de la température sur les performances et la durée de vie du lithium-ion


Une bonne gestion de la température de fonctionnement des batteries lithium-ion est essentielle à leurs performances et à leur fonctionnement en toute sécurité. La surveillance précise de la température est l'un des processus les plus importants dans le bon fonctionnement et la gestion de la température pour garantir les meilleures performances et la meilleure sécurité. La plupart des effets de la température sont liés aux réactions chimiques se produisant dans les batteries et les matériaux utilisés pour les fabriquer. Des variations de température extrêmes peuvent entraîner une modification du taux de réaction électrochimique dans les batteries, ce qui peut se manifester par une dégradation des performances jusqu'à 40 %, une durée de vie réduite et un emballement thermique, un incendie ou une explosion à des températures élevées. Les effets des basses températures.


Les effets de la basse température


Les performances et la structure chimique des batteries au lithium se dégradent en dessous de 0°C. Cette dégradation à basse température peut être attribuée à plusieurs sources différentes (4. Premièrement, la basse température affectera les propriétés de l'électrolyte. Avec la diminution de la température, la viscosité de l'électrolyte augmentera, ce qui réduira la conductivité ionique (capacité de ions de se déplacer librement), et la résistance interne augmentera par la suite en raison de l'augmentation de l'impédance de la migration directionnelle des ions chimiques. Cela peut réduire la tension de fonctionnement ainsi que la capacité de charge jusqu'à 23 % depuis l'augmentation de l'impédance entraîne une résistance de transfert de charge interne élevée. Étant donné que la résistance de transfert de charge d'une batterie déchargée est normalement beaucoup plus élevée que celle d'une batterie chargée, charger une batterie à basse température est plus difficile que de la décharger et peut endommager le anode de carbone du placage au lithium, ce qui entraînera une réduction permanente de la capacité et des performances de la batterie.


Les effets de la température élevée


Le fonctionnement à haute température présente de plus grands défis que les basses températures, car une défaillance catastrophique de la batterie peut entraîner un incendie ou une explosion. Comme mentionné précédemment, les cellules de batterie lithium-ion fournissent de l'énergie par le mouvement électrochimique des ions lithium entre l'anode et la cathode. Cependant, à des taux de décharge élevés, cette réaction chimique génère de la chaleur. Ainsi, les batteries doivent être sélectionnées de manière appropriée pour prendre en charge toute application ayant un taux de décharge supérieur à 1C. La chaleur générée est également aggravée lorsque les cellules sont assemblées dans un pack multi-cellules tel que représenté par la plupart des batteries lithium-ion sur le marché et dans les applications embarquées aujourd'hui. De plus, des températures de stockage élevées peuvent affecter les performances et la sécurité ultérieures des cellules de batterie lithium-ion et doivent être prises en compte. Des conditions de stockage supérieures à 20 °C ont pour effet d'accélérer le taux d'autodécharge naturelle de 1 % par mois et une température de stockage élevée de 60 °C sur une période de douze mois peut décharger les cellules jusqu'à 40 % de leur capacité d'origine.


4) Progrès en sciences naturelles : Materials International 28 (2018) 653-666

Emballement thermique


L'emballement thermique est une réaction chimique (exothermique) incontrôlée qui émet de grandes quantités de chaleur et peut se produire lorsque les batteries sont fabriquées de manière défectueuse, endommagées ou lorsqu'elles fonctionnent à des températures élevées dans lesquelles la température élevée déclenche une réaction exothermique dans les batteries en fonctionnement. Ces réactions libèrent plus de chaleur et favorisent à leur tour l'augmentation de la température à l'intérieur des batteries. Lorsqu'une telle génération de chaleur incontrôlée dépasse l'endurance thermique des batteries, un incendie et une explosion peuvent se produire. Les fabricants d'ordinateurs portables tels qu'Apple et Lenovo ont rappelé leurs produits au cours des dernières décennies en raison de problèmes d'emballement thermique(5 . Comprendre la dynamique d'emballement thermique des batteries lithium-ion est important pour les approches de gestion thermique pour la gestion des températures élevées. Bien que des facteurs tels que l'état de charge (SOC), le transfert de chaleur et le courant de court-circuit contribuent à la chaleur jusqu'à la défaillance (6 points pour les batteries lithium-ion, il a été démontré que les LFP sont toujours classés comme ayant la cote de chaleur jusqu'à la défaillance la plus élevée de la technologie lithium-ion actuelle. Les LFP sont le type de batteries au lithium le plus sûr car elles ne surchauffent pas et, même si elles sont perforées, ne s'enflamment pas. La figure 2 illustre la chaleur totale jusqu'à la défaillance en joules des batteries LFP, LTO et NMC. (7

Figure 2. Chaleur totale jusqu'à la défaillance pour différentes chimies de batterie lithium-ion.


5)https://money.cnn.com/2006/08/24/technology/apple_re call/index.htm ;

6) La quantité de transfert d'énergie thermique mesurée par 1000 Joules (kJ)

7) https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=9 30032

Vieillissement


Le vieillissement de la batterie lithium-ion se produit lorsque les cellules de la batterie sont soumises à des températures élevées pendant leur fonctionnement. Cela dégrade les performances de la batterie, raccourcit le cycle de vie de la batterie et la durée de vie de la batterie.


Gestion thermique pour des performances, une durée de vie et une sécurité améliorées


Les méthodes de gestion de la température de la batterie pour garantir des performances et une longévité optimales pendant les états de repos, de décharge et de charge consistent en des techniques visant à maintenir un état de température de fonctionnement optimal dans l'enceinte active et à garantir que les températures de stockage ne dépassent pas les paramètres de température basse et haute du lithium -cellules de batterie ionique. Un système de gestion de la batterie (BMS) qui contient des protections de charge et de décharge à température contrôlée en fait partie intégrante. Le BMS doit fournir une mesure par contact direct de la température des cellules de la batterie à l'aide d'une sonde thermique pour surveiller en permanence la batterie et apporter des ajustements de tension et de courant à chaque cellule ou sous-groupe individuel du bloc-batterie, au besoin. Le BMS doit fonctionner en conjonction avec la gestion thermique passive et active pour une température de fonctionnement, des performances, un cycle de vie et une sécurité optimaux de la batterie.


Gestion thermique active


La gestion active comprend des techniques pour éliminer la chaleur du noyau de la batterie et des cellules à l'aide de systèmes de refroidissement à base de liquide ou de refroidissement à air forcé. Dans les véhicules électriques, les systèmes de refroidissement à base de liquide sont la méthode de choix en raison de leur capacité à gérer efficacement la chaleur et le froid en transférant la chaleur à un milieu fluide pendant les températures chaudes et froides. Ceux-ci sont couplés à des échangeurs de chaleur sous forme de dissipateurs thermiques et de radiateurs ou de guides thermiques insérés entre les modules de cellules. Pour les systèmes de connexion au réseau à grande échelle de 1 à 100 mégawatts, les systèmes HVAC sont utilisés pour gérer activement l'accumulation de chaleur dans le conteneur de la batterie. Avec des systèmes plus petits tels que des enceintes utilitaires pour la signalisation routière et les communications, par exemple, l'air pulsé est une méthode plus répandue pour évacuer la chaleur. Le chauffage à basse température peut être obtenu à l'aide d'éléments chauffants ou de batteries auto-chauffantes pour maintenir des performances optimales.


Gestion thermique passive


La gestion passive repose sur des évents qui utilisent la différence de pression d'air entre l'enceinte et l'espace aérien extérieur ou des échangeurs de chaleur sous la forme de dissipateurs de chaleur pour déplacer passivement la chaleur du bloc-batterie ou de l'enceinte vers l'air ambiant. La gestion thermique passive étend légèrement la plage de fonctionnement de la batterie à basse et haute température. Pour les appareils tels que les téléphones portables, le boîtier métallique du téléphone est utilisé pour échanger de la chaleur avec l'air extérieur. Les batteries au lithium pour outils électriques ont des bouches d'aération intégrées dans le boîtier pour dissiper la chaleur de la batterie lorsque l'équipement est en cours d'utilisation.


Batterie Sol Donum™ et gestion thermique


Les systèmes avancés de gestion de batterie (BMS) Sol Donum™ et les capacités de gestion thermique sont conçus pour garantir que nos produits offrent un fonctionnement efficace, fiable et sûr pour répondre aux besoins de stockage d'énergie et d'alimentation de nos clients avec la durée de vie la plus longue et les coûts à long terme les plus bas. Nos batteries utilisent des cellules prismatiques lithium-ion fer phosphate (LiFePO4/LFP) avec un BMS avancé pour le meilleur équilibre entre sécurité, densité, coût et résistance à la température tout en optimisant les performances et la durée de vie. Notre BMS avancé intègre des protections contre les surtempératures et les sous-températures pour la charge et la décharge, les surtensions, les sous-tensions, l'équilibrage des cellules, les protections contre les surintensités et les courts-circuits afin de garantir davantage la sécurité et les performances de la batterie. Nos capacités de gestion thermique sont conçues pour maintenir des performances de batterie stables à des températures inférieures à 5 °C et supérieures à 40 °C pour une plage de fonctionnement optimale de -20 °C à 50 °C.


Conclusion


Les batteries lithium-ion continueront d'être la chimie de batterie dominante pour les années à venir, avec des progrès en termes de densité d'énergie, de taille et de poids, ce qui en fait le choix logique pour les applications où le plomb-acide et d'autres types de longue date sont encore dominants. Bien que la plupart de ces applications se déroulent dans des environnements à température contrôlée, il y aura toujours des cas où le lithium-ion sera envisagé où des technologies telles que les batteries au plomb-acide scellées et d'autres batteries à plus grande empreinte sont actuellement la principale solution. Des applications telles que les télécommunications et le stockage en réseau verront les chimies lithium-ion remplacer les technologies plus anciennes simplement parce que l'argument du coût pour compenser les températures extrêmes ne suffira pas à compenser les économies de SWAP, de maintenance, de durée de vie et de démantèlement / élimination du lithium-ion sur les technologies héritées. En fin de compte, de nouvelles batteries seront développées qui fonctionneront dans des environnements austères pour inclure des chimies lithium-ion. Cependant, les chimies lithium-ion actuelles peuvent être mises en œuvre pour les solutions de stockage d'énergie, en soustrayant les coûts nets d'énergie et d'investissement liés à l'application de mesures de sécurité, tout en affichant des gains significatifs par rapport aux batteries scellées au plomb-acide et NiMH.




À propos de Sun Gift™


Sol Donum ™ (www.soldonum.com) est un développeur et intégrateur de technologies d'alimentation domicilié aux États-Unis fondé en 2019. Nos produits sont conçus pour fonctionner dans les environnements les plus difficiles et notre branche de services professionnels fournit une ingénierie et un support technique pour le stockage de batteries et les solutions d'alimentation autour notre technologie. Grâce à notre expérience unique en matière d'informatique et de systèmes énergétiques, notre contribution à un avenir énergétique décentralisé et décarboné passe par nos produits de stockage d'énergie qui augmentent l'alimentation électrique existante, fonctionnent indépendamment pour réduire les coûts ou fournissent une alimentation de secours directe pour la continuité des opérations. Nous accueillons votre appel pour discuter de la manière dont nous pouvons fournir un stockage de batterie pour votre organisation sales@soldonum.com.


Acronymes

°C - Celsius

AGM - Tapis de verre absorbant

BESS - Système de stockage d'énergie par batterie

BMS - Système de gestion de batterie

C-Charger

EV - Véhicule électrique

HVAC - Chauffage Ventilation et Climatisation

LCO - Lithium-ion Oxyde de Cobalt

LFP - Lithium-ion Ferro Phosphate

LiFePO4 - Phosphate de fer lithium-ion

LMO - Oxyde de manganèse lithium-ion

LTO - Titanate de lithium-ion

NiCad - Nickel-Cadmium

NiMH - hydrure métallique de nickel

NMC - Lithium-ion Nickel Manganèse Cobalt Oxyde

SLA - Plomb-acide scellé

SOC - État de charge

UPS - Alimentation sans coupure

A- C'était

W-Watt

Wh - Wattheure

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