Pourquoi les batteries explosent

Les utilisateurs de smartphones et de tablettes sont bien sûr conscients du risque d'explosion des batteries au lithium dans leurs gadgets. Et les exemples frappants ne doivent pas aller loin. Récemment, par exemple, Samsung a fait face à un problème douloureux en personne et a été contraint de retirer la première série de la nouvelle Note 7, car les batteries ont explosé en plein chargement. D'une manière ou d'une autre, le problème reste le même depuis le début de l'avènement des téléphones portables. L'OACI a même interdit aux parties commerciales de transporter du fret dans des compartiments de fret civils en 2016. batteries au lithium.

L'essence du problème avec les batteries au lithium

Le fait est que dans le processus de charge d'une batterie au lithium dans un appareil mobile, en utilisant le microcontrôleur intégré à la batterie, un algorithme assez compliqué pour la mise en œuvre de ce processus est mis en œuvre afin que la température de la batterie ne dépasse pas la plage de température acceptable. Le contrôleur surveille à cet effet de nombreux paramètres de la batterie lors de sa charge.

En plus du processus de charge lui-même, le stockage de la batterie nécessite également le respect de certaines règles, notamment en matière de température: vous ne pouvez ni surchauffer ni surrefroidir la batterie.

Le principal problème provoquant l'explosion des batteries est échauffement excessif de l'électrolyte dû au dépassement de la température admissible ou à un court-circuit à l'intérieur de la cellule de la batterie. La réaction en chaîne est facilement initiée à l'intérieur de la cellule surchauffée, car le lithium de métal alcalin s'enflamme très facilement, ce qui fait que la batterie gonfle et, dans le pire des cas, explose.

Et même malgré la présence d'un contrôleur «attentif», un défaut d'usine accidentel (épaisseur insuffisante de l'isolant entre les cellules) peut se produire et entraîner de tristes conséquences.

Bien sûr, les chocs, les pannes, les crevaisons, la surchauffe au soleil sont dangereux. Même si la batterie est tombée et a heurté légèrement, une panne de l'isolateur peut se produire à l'intérieur et à l'avenir, cela peut entraîner des problèmes soudains, même sans surchauffe évidente.

Raison d'explosion des batteries au lithium

L'anode et la cathode de la batterie lithium-ion sont séparées par un séparateur poreux en polymère. La cathode contient un matériau actif, pour lequel des oxydes de métaux de transition sont souvent utilisés, dans lequel des ions lithium sont incorporés. L'anode est généralement en graphite. Une solution organique de sels de lithium est utilisée comme électrolyte.

Lors de la première charge à l'usine, du lithium est intégré dans l'anode et une couche d'électrolyte décomposé se forme sur les électrodes, qui sert désormais de protection contre les réactions inutiles, tout en restant conductrice d'ions.

Comme indiqué ci-dessus, les courts-circuits internes sont l'une des principales causes d'auto-inflammation de la batterie. La cause du court-circuit lui-même peut être des dommages physiques ou des défauts d'usine, tels qu'une coupure inégale des électrodes ou la pénétration de particules métalliques entre la cathode et l'anode, qui violent l'intégrité de la couche séparatrice.

Une autre raison de la fermeture est la croissance des chaînes de lithium métallique à travers le séparateur (si les ions lithium à l'usine n'ont pas eu suffisamment de temps pour s'intégrer complètement dans le cristal d'anode en raison d'une charge trop rapide ou d'un refroidissement excessif, ou si la capacité du matériau actif de la cathode est supérieure à la capacité de l'anode, ce qui conduit à des dépôts sur l'anode, qui croît ensuite lentement mais inexorablement).

Ainsi, si un court-circuit s'est produit, la température de la batterie commence à augmenter et, lorsqu'elle atteint 70 à 90 ° C, la décomposition de la couche protectrice conductrice d'ions de l'anode commence. L'anode au lithium réagit avec un électrolyte et des hydrocarbures inflammables tels que l'éthylène, le méthane, l'éthane, etc. sont libérés.Mais il est trop tôt avant l'incendie, car il n'y a pas assez d'oxygène.

Pendant ce temps, la réaction exothermique est en marche et la température augmente, la pression à l'intérieur du boîtier de la batterie augmente. À 180-200 ° C, la réaction de disproportionnement commence à la cathode, où l'oxygène est libéré. L'inflammation se produit, la température augmente fortement et l'électrolyte se décompose thermiquement, la température est déjà de 200 à 300 ° C.

Enfin, c'est au tour du graphite, et lorsque la température atteint 660 ° C, l'aluminium du collecteur de courant commence à fondre. La température maximale dans tout ce processus n'a généralement pas le temps de dépasser 900 ° C, car tout se termine rapidement par la décomposition complète des composants internes de la batterie.

Il y a déjà du succès à trouver une solution au problème

Pour résoudre le problème, les fabricants de smartphones peuvent resserrer la réglementation, fabriquer des fusibles supplémentaires dans les appareils et les batteries, compliquer les contrôleurs, mais cela augmentera le coût des batteries et de tous les produits fournis avec une batterie. Les entreprises se font concurrence et ne peuvent tout simplement pas le faire sur le plan économique.

Pendant ce temps, les physiciens de Stanford se battent pour la sécurité des batteries au lithium, qui, à l'été 2015, ont développé un mécanisme de protection spécial qui est intégré à la batterie déjà au stade de la production.

En fait, nous parlons d'un nouveau type de batteries au lithium, qui s'éteignent automatiquement lorsque leur intérieur atteint une température potentiellement dangereuse (ce qui empêche le processus conduisant à un incendie ultérieur), et après un certain temps, après refroidissement, elles se rallument automatiquement.

Les auteurs du développement affirment qu'il s'agit de la première batterie au lithium qui peut être éteinte et restaurée à plusieurs reprises sans perdre ses propriétés et ses performances.

Le développement a été réalisé pendant plusieurs années par une équipe de plusieurs personnes (dont Zhenan Bao), de sorte qu'une batterie était dépourvue de deux inconvénients principaux - une forte diminution de la capacité de la batterie après plusieurs cycles de recharge et, plus important encore, une tendance au feu et à l'explosion due à une surchauffe ( la réaction en chaîne s'arrête automatiquement).

La décision est venue aux scientifiques d'un domaine de la physique complètement différent. Ils ont fabriqué des thermomètres à l'aide de nanoparticules de nickel noyées dans une mince feuille de graphène et de plastique. C'étaient des thermomètres inhabituels. Au repos, les particules de nickel étaient en contact les unes avec les autres, c'est-à-dire qu'un bon conducteur de courant a été obtenu. Mais lorsque la feuille a été chauffée, le plastique a commencé à se dilater un peu, ce qui a entraîné un affaiblissement du contact entre les particules de nickel conductrices et la résistance de l'ensemble du conducteur a augmenté.

Cette propriété a été utilisée par des chercheurs de Stanford pour la protection automatique instantanée des batteries au lithium et pour la restauration entièrement automatique du contact après refroidissement. Ils ont collé une feuille de plastique de ce type à l'une des électrodes de la batterie afin qu'elle perde sa conductivité avec l'augmentation de la température. Et quand la température atteint 70 ° C

Mais malgré la solution, les fabricants d'appareils mobiles n'osent toujours pas changer radicalement la technologie de production de leurs batteries qui s'est développée au fil des ans. Par conséquent, les utilisateurs de gadgets devront composer avec le danger potentiel des batteries au lithium pendant un certain temps, et essayer de ne pas faire tomber ou surchauffer leurs appareils mobiles, et en particulier les batteries. Peut-être que dans un avenir proche, le problème sera complètement résolu.

Voir aussi: Utilisation appropriée des batteries lithium-ion