Amélioration des performances et de la sécurité des batteries lithium-ion: caractérisation des matériaux et des interfaces

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Par Linda Romano, Ph.D., Membre scientifique

RÉSUMÉ

Les batteries lithium-ion fournissent une alimentation légère et efficace pour les véhicules électriques et les appareils électroniques grand public. Bien que leur avenir soit prometteur car ils offrent une densité d'énergie supérieure à celle des autres types de piles rechargeables, deux problèmes critiques doivent être résolus: les performances et la sécurité.

Les performances sont particulièrement importantes pour les applications de véhicules électriques, où une autonomie limitée et la détérioration progressive de la batterie peuvent réduire l'attrait des véhicules électriques pour les consommateurs.

La sécurité est une préoccupation sérieuse. Les informations faisant état d'incendies de batteries dans les smartphones et les véhicules électriques ont mis en évidence les problèmes de sécurité des consommateurs.

Les ingénieurs de systèmes ou d’applications qui choisissent des batteries pour les produits finis comprennent les exigences en matière de tension et d’empreinte, mais peuvent ne pas connaître la chimie des batteries ni les mécanismes de défaillance. Ce document fournit des connaissances qui peuvent les aider à poser les bonnes questions à des fournisseurs potentiels, ce qui augmente les chances que leur produit contienne une batterie optimisée pour leur application spécifique.

Ce document sert également de point de départ pour en apprendre davantage sur les batteries lithium-ion, en se concentrant sur les informations qui seront utiles aux ingénieurs chargés du choix de la batterie. En outre, ces informations sont précieuses pour les concepteurs de batteries, car elles leur fournissent des informations susceptibles de les aider à collaborer plus efficacement avec leurs clients.

Enfin, cet article montre pourquoi une caractérisation correcte de la batterie est importante pour améliorer les performances et résoudre les problèmes de sécurité. Nous commençons par un aperçu du fonctionnement des batteries lithium-ion, en abordant la chimie des batteries et les tendances en matière de matériaux. Nous expliquons également ce qui peut aller de travers. Une grande variété de problèmes peuvent contribuer à la dégradation ou à la défaillance de la batterie, et la compréhension de la cause de la défaillance est complexe.

Nous décrivons diverses techniques de caractérisation in situ et destructive, avec des exemples d'applications d'analyse des défaillances. Ces informations peuvent aider les ingénieurs à choisir une technique de caractérisation de batterie appropriée et à savoir quelles questions poser lors de l'utilisation d'installations de test indépendantes. Nous couvrons les techniques d'imagerie et d'analyse chimique.

Les procédures de démontage correctes de la batterie sont essentielles lors de l’analyse destructive. Nous incluons un aperçu des problèmes à connaître, soulignant la nécessité de disposer d’un personnel correctement formé.

INTRODUCTION: DEMANDE CROISSANTE DE BATTERIES AU LITHIUM-ION

Les batteries lithium-ion sont légères et offrent une densité d'énergie supérieure à celle des batteries au plomb-acide ou nickel-hydrure métallique (NiMH), ce qui crée une demande pour les véhicules électriques (EV), le stockage d'énergie et les produits électroniques grand public. Comparées aux batteries NiMH, les batteries lithium-ion ont une capacité 50 pour cent supérieure en wattheures par kilogramme (wh / kg).

L'industrie des véhicules électriques exige des batteries à plus haute efficacité; en réponse, les constructeurs automobiles intensifient la production de batteries lithium-ion. Par exemple:

  • Tesla construit actuellement une «gigafactory» dans le Nevada qui, selon elle, produira suffisamment de batteries lithium-ion pour soutenir la cadence de production prévue par 500,000 pour les voitures 2020.1
  • Tous les véhicules électriques du commerce contiennent des batteries lithium-ion, à l'instar des véhicules hybrides rechargeables. Avec les fabricants de 18 vendant actuellement des modèles électriques ou plug-in, et plus de modèles à venir dans 20172, il s'agit d'un marché encourageant pour les fabricants de batteries.
  • Toyota propose des batteries lithium-ion dans ses véhicules hybrides Prius haut de gamme, permettant à ces voitures d'atteindre le même kilométrage que les modèles plus simples dotés de batteries NiMH, même s'ils contiennent des options qui ajoutent un poids supplémentaire.3

Problème critique: améliorer les performances

Malgré les avantages des batteries lithium-ion, certaines difficultés peuvent retarder leur adoption généralisée. La durée de fonctionnement et la durée de vie totale restent les principaux problèmes.

La durée de fonctionnement entre les charges est plus longue dans les batteries actuelles que dans les modèles plus anciens, mais il reste encore beaucoup à faire, notamment pour les véhicules électriques. Les batteries de téléphone portable peuvent durer une journée entière avant d'être rechargées, même lorsque vous utilisez des applications exigeantes, ce qui est suffisant pour la plupart des consommateurs. Lorsqu'ils ont besoin d'être rechargés, il est facile de trouver un point de vente et de recharger le téléphone en moins d'une heure. La plage EV, tout en s’améliorant, est limitée à plusieurs kilomètres 100 ou moins sur de nombreux véhicules. Les stations de recharge ne sont pas toujours bien situées. Les chargeurs 2 de niveau standard prennent de nombreuses heures pour recharger une batterie épuisée, ce qui les rend peu pratiques pour les conducteurs qui doivent parcourir de longues distances.

Les performances de la batterie au lithium-ion se dégradent avec le temps, à un rythme qui dépend des matériaux et de la conception de la batterie ainsi que de l'utilisation finale. Les performances de la batterie peuvent se détériorer pour plusieurs raisons, comme décrit dans la section «Pannes courantes de batterie» de ce document.
Les batteries au lithium-ion utilisées dans les téléphones mobiles et les ordinateurs portables ne durent que quelques années, après quoi elles ne peuvent plus tenir la charge. Ceux utilisés dans les véhicules électriques doivent être beaucoup plus robustes et beaucoup sont assortis de garanties de 8 à 10 ans et 100,000 XNUMX milles. Néanmoins, la capacité de charge diminuera probablement au cours de cette période, ce qui diminuera la valeur de revente de la voiture.

Problème critique: répondre aux préoccupations de sécurité

Le rappel des téléphones Samsung Galaxy Note 7 en septembre 2016 a de nouveau mis au premier plan les préoccupations en matière de sécurité des batteries lithium-ion. Samsung a d'abord cru que le coupable était un défaut de fabrication d'un fournisseur de batteries tiers spécifique qui avait provoqué l'incendie des appareils. L'entreprise a offert à ses clients des batteries de remplacement gratuites provenant d'un autre fournisseur. Lorsque les téléphones dotés des batteries de remplacement ont également pris feu, Samsung a réagi en arrêtant la fabrication de tous les téléphones Galaxy Note 7 en octobre. En janvier 2017, presque tous les 3 millions
Les téléphones Note 7 vendus ont été retournés à Samsung. L'histoire de Samsung souligne l'importance de concevoir des batteries avec l'application finale à l'esprit et d'effectuer des tests approfondis au niveau du système. Bien que Samsung continue de blâmer la conception de la batterie, il est probable que la puissance et l'encombrement de ce téléphone spécifique aient joué un rôle important.

Plusieurs incidents dramatiques impliquant des voitures Tesla, au cours desquels les voitures ont été totalement consommées dans les minutes qui ont suivi l'incendie d'une batterie, ont mis en évidence l'importance cruciale de la fiabilité des batteries lithium-ion. Afin de résoudre ce problème, Tesla a modifié la conception de ses véhicules de type S sous 2014, en ajoutant un blindage en titane et en aluminium pour empêcher les débris de chaussée de pénétrer dans le bloc-batterie.4 Malgré cette mesure, deux véhicules du modèle S ont pris feu à 2016.5,6

Les batteries lithium-ion sont plus susceptibles de prendre feu que les autres types de batteries. Même si le nombre d'incendies de batteries est extrêmement faible comparé au nombre de batteries en service, le risque d'incendie doit être considérablement réduit pour donner aux consommateurs l'assurance que les batteries lithium-ion sont sûres. La perspective d’un VE s’enflammer est effrayante.

Un incendie se produit lorsqu'un court-circuit entre les électrodes positives et négatives provoque un réchauffement de la batterie à une température dangereuse. Pour comprendre pourquoi les batteries lithium-ion présentent un risque plus élevé et pour minimiser ce risque, les utilisateurs doivent comprendre le fonctionnement des batteries lithium-ion et les causes des problèmes qui peuvent se produire.

COMPRENDRE LES PILES AU LITHIUM-ION

Comment travaillent-ils? Chimie de la batterie

Les batteries lithium-ion fonctionnent de la même manière que toutes les batteries rechargeables, dans lesquelles des réactions chimiques réversibles à l'intérieur de chaque cellule provoquent le déplacement des ions entre la cathode (électrode positive) et l'anode (électrode négative). Lorsque la batterie est en cours de chargement, un courant électrique externe est appliqué et les ions lithium se déplacent de la cathode à l'anode. Pendant la décharge, les ions lithium repassent dans la cathode et libèrent de l'énergie, qui alimente l'appareil. La cellule est remplie d'un électrolyte à travers lequel les ions voyagent.

Batterie lithium-ion rechargeable: mécanisme de charge dans un projet de caractérisation de batterie.

Batterie lithium-ion rechargeable: mécanisme de décharge dans un projet de caractérisation de batterie.

Figures 1a et b: Schéma du processus; Mécanisme de charge et de décharge de la batterie rechargeable lithium-ion.
(Source: Image publiée avec l'aimable autorisation de Marshall Brain, initialement parue dans «Comment les batteries lithium-ion fonctionnent-elles», novembre 14, 2006. HowStuffWorks.com, http://electronics.howstuffworks.com/everyday-tech/lithium-ion-battery. htm)

Chaque cellule de batterie contient un séparateur, généralement une membrane polymère, pour isoler électriquement l'anode de la cathode. L'intégrité du séparateur est essentielle à la sécurité de la batterie.

Le lithium est un métal très réactif; C'est une caractéristique précieuse pour le stockage d'énergie, mais cela rend également les batteries lithium-ion potentiellement risquées. Si la température interne de la batterie devient trop élevée, les réactions s'accéléreront jusqu'à devenir instables. La conception de la batterie peut intégrer des fonctionnalités minimisant les risques d’emballement thermique, telles que l’ajout d’évents de sécurité pour libérer la pression interne et l’utilisation de séparateurs microporeux qui fusionnent au-dessus d’une certaine température, ce qui bloque le transport des ions en excès.

À mesure que les batteries vieillissent, les produits chimiques à l'intérieur des cellules s'épuisent à chaque cycle de charge, ce qui réduit la capacité au fil du temps. Des couches d'interphase à électrolyte solide (SEI) s'accumulent sur les électrodes, limitant ainsi le transport des ions.

Voltammogramme de deux piles - une fois 100 neuve et une fois cyclée dans un projet de caractérisation de la pile.

Figure 2: Voltamogramme de deux piles - une fois 100 neuve et une fois cyclée.
(Source: Image reproduite avec l'aimable autorisation de N. Willard, B. Sood, M. Osterman, M. Pecht, figurant à l'origine dans «Méthodologie de désassemblage pour la réalisation d'une analyse de défaillance de batteries lithium-ion». J. Mater Sci: Mater Electron 22, 1616 ( 2011)

Tendances dans les matériaux de batterie

Les batteries lithium-ion ont vu des améliorations dans les matériaux et les processus d'assemblage depuis que Sony a commercialisé la technologie au format 1991.7  Les brevets américains publiés dans les 1990 décrivent des progrès dans la morphologie des feuilles et des matériaux électrolytiques qui sont maintenant courants dans les batteries lithium-ion.8,9

Matériaux cathodiques. Le matériau de cathode d'origine est l'oxyde de lithium et de cobalt (LiCoO2). Certaines batteries lithium-ion du commerce contiennent du phosphate de fer et de lithium (LiFePO4) ou oxyde de lithium et de manganèse (LiMn2O4) cathodes.

La combinaison de matériaux cathodiques à base d'oxyde de cobalt et de manganèse lithium-nickel-nickel-manganèse donne une batterie offrant une combinaison optimale d'accélération et de portée de conduite pour les véhicules électriques. Des véhicules tels que la Nissan Leaf, la Chevrolet Volt et la BMW i3 fonctionnent avec des batteries NMC. Les véhicules Tesla utilisent une batterie à oxyde d’aluminium (NCA) au lithium nickel-cobalt.

Matériaux d'anode. La plupart des batteries lithium-ion contiennent une anode en carbone, sous forme de graphite. Les anodes au lithium métal sont attrayantes en raison de leur densité d'énergie élevée, mais elles sont susceptibles de former des dendrites pouvant causer des courts-circuits, augmentant ainsi le risque d'incendies de batteries. Les anodes à base de silicium sont une autre option permettant d'accroître la densité d'énergie, mais la formation de couches SEI peut réduire la fiabilité.

Evolution des matériaux d'anode pour les batteries lithium-ion dans un projet de caractérisation de batterie.

Figure 3: Evolution des matériaux anodiques pour les batteries lithium-ion.
(Source: Image reproduite avec l'aimable autorisation de N. Willard, B. Sood, M. Osterman, M. Pecht, figurant à l'origine dans «Méthodologie de désassemblage pour la réalisation d'une analyse de défaillance de batteries lithium-ion». J. Mater Sci: Mater Electron 22, 1616 ( 2011)

La spin-off du MIT SolidEnergy Systems commercialise une batterie avec une anode en feuille de lithium mince, qui est censée doubler la capacité énergétique par rapport à une batterie lithium-ion standard. La société a créé un nouvel électrolyte conçu pour minimiser les risques de courts-circuits.

Électrolytes. L'électrolyte peut être liquide ou solide (gel) et est généralement à base de polymère, constitué de solvants organiques et de sels de lithium. Les électrolytes liquides transfèrent plus efficacement les ions lithium, mais ils sont très inflammables. Les électrolytes solides sont moins conducteurs, mais ils sont plus sûrs car ils ne risquent pas de prendre feu. Le choix des matériaux peut améliorer la sécurité des électrolytes liquides. L’hexafluorophosphate de lithium (LiPF) en est un exemple.6) dissous dans un mélange de carbonate d'éthylène et de carbonate de diéthyle. Le mélange de solvants est plus stable que les solvants utilisés seuls.

Facteurs de forme de la batterie pour diverses applications

Chaque cellule de batterie contient des feuilles superposées de matériaux d'anode et de cathode enfermés dans un boîtier métallique. Une feuille de cuivre est recouverte d'un matériau d'anode (généralement de la poudre de graphite) et une feuille d'aluminium est recouverte d'un matériau de cathode; ceux-ci sont pris en sandwich avec un séparateur de polymère et sont soit empilés verticalement, soit plus généralement enroulés en une bobine.

Une fois que les électrodes sont enfermées dans un boîtier en aluminium ou dans une pochette en aluminium, le boîtier est rempli d'électrolyte avant le scellement. La plupart des batteries comprennent une soupape de décharge pour évacuer les sous-produits gazeux qui se forment lorsque l'électrolyte se décompose pendant l'utilisation. La forme de la cellule peut être cylindrique, similaire à une pile alcaline AA standard ou prismatique (carrée ou rectangulaire).

Un bloc-batterie est constitué de plusieurs cellules interconnectées. La liaison de cellules en série augmente la tension à laquelle la batterie fonctionne, et la combinaison de plusieurs cellules ou rangées de cellules en parallèle augmente le courant que les batteries peuvent supporter.

Pannes de batterie communes

Les batteries lithium-ion peuvent échouer de manière catastrophique lorsque des courts-circuits se produisent entre l'anode et la cathode. Un certain nombre de défauts de fabrication à l'intérieur des cellules peuvent augmenter les risques d'une telle défaillance. Ceux-ci inclus:

  • Bavures sur les feuilles d'électrode
  • Des vides dans les matériaux d'électrode
  • Contamination chimique
  • Morphologie des particules incohérente des électrodes

Les ingénieurs d’application recherchant des batteries lithium-ion n’ont aucun moyen d’identifier facilement ces défauts. Des tests de durée de vie accélérés lors de la qualification permettent de s'assurer que les batteries fonctionneront en toute sécurité et conformément aux attentes.

Les batteries peuvent également être considérées comme défaillantes lorsque la capacité a diminué au-delà d'un certain point. Une surchauffe et un fonctionnement à haute tension peuvent accélérer les mécanismes réduisant la durée de vie de la batterie. Plusieurs problèmes différents peuvent survenir lors de l'utilisation:

  • Perte d'ions électroactifs entraînant une diminution de la densité de puissance
  • Croissance excessive des couches de passivation sur les électrodes
  • Rupture du solvant ou des sels de lithium dans l'électrolyte
  • Gonflement des électrodes, ce qui augmente de façon irréversible le taux de décharge
  • Accumulation de pression pouvant provoquer la rupture de cellules scellées
  • Délamination des électrodes à partir de feuilles métalliques
  • Fissuration des électrodes due aux contraintes mécaniques

Le graphique ci-dessous illustre les différents mécanismes pouvant provoquer la dégradation des cellules de batterie lithium-ion.

Progression des mécanismes conduisant à la dégradation des cellules de la batterie dans un projet de caractérisation de la batterie.

Figure 4: Progression des mécanismes conduisant à la dégradation des cellules de la batterie.
(Source: Image reproduite avec l'aimable autorisation de N. Willard, B. Sood, M. Osterman, M. Pecht, initialement paru dans «Disassembly
Méthodologie pour réaliser une analyse de défaillance sur des batteries lithium-ion. ”J. Mater Sci: Mater Electron 22, 1616 (2011)

CARACTÉRISATION DES PILES AU LITHIUM-ION

Le besoin de caractérisation et d'analyse des défaillances

Alors que les fabricants de batteries et les utilisateurs finaux exigent de meilleures performances et une sécurité accrue, la caractérisation devient de plus en plus importante pour identifier les défauts de fabrication et de conception.

Les batteries doivent être évaluées à l'aide de tests in situ et destructifs afin de déterminer la meilleure façon d'améliorer les performances et la sécurité, en utilisant des matériaux et des processus efficaces sans augmenter le coût de la batterie.

Le choix d'une technique de caractérisation appropriée dépend des informations nécessaires, du niveau de précision et du budget alloué à la qualification et aux tests. Les tests non destructifs ont l'avantage d'éviter de démonter la batterie, mais le niveau d'informations pouvant être extraites est limité. Les techniques les plus précises ont tendance à utiliser les instruments les plus coûteux et prennent le plus de temps, mais elles sont parfois nécessaires pour comprendre les mécanismes de défaillance et améliorer la conception de la batterie.

Microscopie optique, à rayons X et électronique: imagerie haute résolution de couches et d'interfaces

Les techniques de microscopie sont utilisées pour imager les différentes couches d'une batterie. La microscopie optique peut être suffisante pour examiner les fissures plus grandes, mais il faut recourir à la microscopie électronique à balayage (SEM) ou à la microscopie électronique à transmission (TEM) pour mesurer l'épaisseur de la couche et observer les changements dans la microstructure, tels que les trous microscopiques (vides) et les défauts.

Le SEM et le TEM sont des techniques intrinsèquement destructives, mais le broyage ionique peut préserver l'intégrité de l'échantillon de sorte qu'il représente fidèlement l'état d'origine des matériaux de la batterie avant les tests.

Des chercheurs de Carl Zeiss et de l'University College London ont eu recours à la microscopie optique et aux rayons X, ainsi qu'à la microscopie électronique à balayage, pour examiner la microstructure d'une batterie lithium-ion commerciale à des échelles de longueur allant de 20 µm à 100 nm (0.1 µm).10 Les chercheurs ont également examiné les batteries avant et après le cycle, en imaginant des fissures apparaissant à l'extérieur du rouleau et en démontrant l'importance des techniques de caractérisation en imagerie pour identifier la dégradation de performances basée sur la microstructure.

La couche SEI provoquée par les réactions interfaciales électrode-électrolyte est si mince qu'elle ne peut être visualisée que par TEM. Les chercheurs du Oak Ridge National Laboratory ont par exemple utilisé cette technique pour analyser les dendrites qui se développent à partir de défauts dans le SEI et se forment dans des anodes au lithium.11 La TEM combinée à la diffraction des rayons X peut être utilisée pour analyser les transformations de phase associées à la diffusion des ions lithium à travers l'électrode.

TEM haute résolution de la cathode dans un projet de caractérisation de batterie.

Figure 5: TEM haute résolution de la cathode.
(Source: Laboratoires EAG)

XPS: Electrode de mesure et composition d'électrolyte et chimie

La spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) est un outil précieux pour analyser la structure et la composition des différentes couches d'une batterie, montrant la migration du lithium et d'autres éléments à l'intérieur de la cathode, de l'anode et du séparateur. XPS fournit des informations quantitatives détaillées pouvant faciliter l'analyse des défaillances ou montrer comment les modifications de matériaux ou de conception affectent la formation du SEI.

Spectres XPS de l'anode, de la cathode et du séparateur dans un projet de caractérisation de batterie.

Figure 6: Spectres XPS de l'anode, de la cathode et du séparateur.
(Source: Laboratoires EAG)

Le XPS a été utilisé avec la spectrométrie de masse à ions secondaires en temps de vol (TOF-SIMS) pour analyser la formation de SEI dans des anodes à base de silicium, en examinant à la fois la structure et la composition pour comprendre comment des additifs peuvent améliorer la stabilité de la couche SEI.12 Le Vehicle Technologies Office du département de l'Énergie des États-Unis, dans le cadre du programme de recherche avancée sur les matériaux de batterie, finance cette recherche dans le but d'améliorer les batteries des véhicules électriques.

GDMS: Surveillance des impuretés
La spectrométrie de masse à décharge luminescente (GDMS) est utile pour détecter des traces d'éléments. Dans les applications de batterie, cette technique peut être utilisée pour identifier les impuretés et les contaminants pouvant nuire aux performances de la batterie. Une précaution avec cette technique est qu'un démontage incorrect de la batterie peut introduire des contaminants qui n'étaient pas déjà présents dans la batterie.

FTIR: Étude des processus chimiques lors du fonctionnement de la batterie
La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) est une autre méthode d'analyse de la composition chimique. Cette technique a été utilisée pour analyser les composants de la couche SEI qui se forme lorsqu’un électrolyte se décompose avec le cycle de la batterie en fonction de la tension appliquée.13

ICP-OES: Suivi des performances de la cathode
La spectrométrie d'émission optique à plasma à couplage inductif (ICP-OES) est utilisée pour détecter la présence de traces de métaux en chauffant et en ionisant les espèces dans un échantillon. Les laboratoires EAG ont mis au point une technique permettant de séparer la cathode d’une pile dans différents états de charge ou après un certain nombre de cycles de charge / décharge. Les chercheurs ont ensuite utilisé ICP-OES pour mesurer avec précision les niveaux de lithium et de manganèse dans la cathode, en mesurant les faibles variations de la teneur en lithium corrélées à la baisse des performances de la batterie.

SMGC: Enquête sur les piles gonflées
La chromatographie en phase gazeuse – spectrométrie de masse (GCMS) pour les applications dans les batteries nécessite de siphonner les gaz d'un trou foré dans une cellule de batterie afin d'analyser les gaz libérés lors de la décomposition de l'électrolyte. Cette technique est particulièrement utile dans les cas où la batterie est gonflée ou présente un emballement thermique, car ces mécanismes de défaillance sont associés à une défaillance prématurée de l'électrolyte.

Spectroscopie Raman: Analyse de phase
La spectroscopie Raman mesure l'énergie de vibration dans les molécules afin d'identifier les espèces chimiques. En combinant la technique avec la microscopie optique, la microscopie Raman confocale fournit des détails sur la distribution spatiale des phases dans un échantillon. Il est possible de déterminer, par exemple, si les particules de lithium chargées sont réparties uniformément ou groupées en grappes sur une cathode.

La microscopie Raman est utile pour comprendre la formation de SEI dans les batteries lithium-ion, que ce soit pour l'analyse des défaillances ou pour la recherche sur l'amélioration des matériaux de batterie. Le laboratoire de recherche de l'armée américaine et le centre de recherche sur les batteries extrêmes, par exemple, ont utilisé la microscopie confocale Raman pour analyser les interphases qui se développent à l'interface entre l'électrolyte et la cathode dans les batteries lithium-ion dans le cadre de leurs recherches sur le développement d'électrolytes avancés.14

L'IMPORTANCE DES TESTS INDÉPENDANTS

Les fabricants de batteries testent et qualifient les batteries avant de les expédier aux clients, mais il est toujours logique que les clients fassent leur propre qualification afin de garantir la sécurité des batteries et leur performance conforme aux spécifications revendiquées. Il s'agit d'une bonne pratique commerciale, en particulier lors du changement de fournisseur ou de produit, mais également pour le contrôle de la qualité.

Il est également important de procéder à une analyse de défaillance des batteries défectueuses afin de comprendre la source du problème. Les voltamogrammes cycliques (voir la figure 2) mesurent les baisses de courant de décharge au fil du temps, mais n'expliquent pas pourquoi la capacité de la batterie a diminué. Une analyse approfondie des défaillances nécessitera probablement le désassemblage de la batterie, processus qui doit être effectué correctement pour garantir la sécurité de l'opérateur et maintenir l'état de fonctionnement de la batterie.

Procédures de démontage de la batterie

Bien que diverses normes traitent de la fabrication, des essais et du transport des batteries lithium-ion, aucune norme existante ne traite du démontage des batteries lithium-ion. Des chercheurs de l'Université du Maryland ont mis au point une procédure relative aux meilleures pratiques.15

Batterie démontée dans un projet de caractérisation de batterie.

Figure 7: Batterie démontée.
(Source: Laboratoires EAG)

Le démontage doit être effectué dans un environnement contrôlé, généralement une boîte à gants remplie d’argon, afin d’éviter toute pénétration d’humidité ou de contaminants et d’empêcher le technicien d’inhaler des composés toxiques. Il est important de consulter les fiches de données de sécurité des fabricants de batteries pour comprendre les matériaux contenus dans les batteries et les dangers qu’ils peuvent présenter.

Les batteries doivent être déchargées avant le démontage. Lorsque vous retirez des cellules d’une batterie et ouvrez le boîtier de la batterie, il est possible de créer accidentellement un court-circuit. La radiographie permet au technicien de savoir exactement où couper. Cela minimise le risque de couper au mauvais endroit et de créer un court-circuit. Il faut veiller à ne pas fissurer les électrodes lors du déroulement des couches de matériau à l'intérieur de la cellule. Les niveaux d'humidité et d'oxygène doivent également être contrôlés lors du transport de cellules désassemblées vers des instruments de test, ce qui peut nécessiter de conserver la cellule dans un récipient scellé sous vide.

En plus des problèmes de sécurité, des procédures de démontage inappropriées risquent de donner des résultats trompeurs. Par exemple, les courts-circuits ou les contaminants introduits lors du démontage peuvent être attribués à la batterie défaillante telle que reçue. Le personnel doit être formé aux procédures de démontage appropriées et avoir accès aux outils et équipements requis, ce qui peut ne pas être possible lorsque l'analyse des défaillances est effectuée en interne.

Sous-traitance de qualification et de test

La plupart des ingénieurs d'application ne disposent pas d'une gamme complète d'outils de caractérisation appropriés. Il s’agit d’instruments spécialisés coûteux qui ne valent généralement pas l’investissement, à moins que l’installation ne fasse une R&D interne intensive. Pour la plupart des clients, il sera plus rentable de sous-traiter la qualification et les tests des batteries à une installation de test indépendante tierce qui dispose des instruments et des connaissances nécessaires pour effectuer une analyse approfondie. Des installations indépendantes fournissent une analyse experte et impartiale à laquelle les fabricants de batteries ainsi que leurs clients peuvent faire confiance.

CONCLUSION

Les batteries lithium-ion sont actuellement à la pointe de la technologie en termes de densité d'énergie par unité de poids, ce qui entraîne leur utilisation accrue dans des produits allant des téléphones portables aux véhicules électriques et hybrides. Cependant, les batteries lithium-ion peuvent également subir une défaillance catastrophique, mettant en lumière la nécessité d'une qualification et de tests approfondis tout au long de la chaîne d'approvisionnement.

L'embauche d'un centre de test indépendant pour effectuer la caractérisation des batteries défaillantes fournit des résultats objectifs et fiables que les constructeurs peuvent utiliser pour démontrer la raison de la défaillance de la batterie et pour déterminer si une batterie défectueuse est la source d'une défaillance de leur produit ou s'il est nécessaire de chercher ailleurs déterminer la cause. La caractérisation indépendante est également utile lors de la phase de développement du produit lors de l'évaluation des batteries de plusieurs fournisseurs.

A PROPOS DE L'AUTEUR

Linda Romano est chercheuse scientifique à la Division de la science des matériaux des laboratoires EAG. Elle gère actuellement les tests, l'analyse et la caractérisation de projets de batteries, y compris les protocoles de décharge et de désassemblage en toute sécurité des batteries. Dr. Romano a rejoint EAG Laboratories avec une expérience de travail dans le domaine des semi-conducteurs et de l'électronique optique. La plupart de ses travaux portent sur les défauts microstructuraux des matériaux et leurs effets sur les propriétés optoélectroniques. Avant de rejoindre la société, M. Romano a travaillé au Centre de recherche Xerox Palo Alto, à Philips-Lumileds et dans plusieurs entreprises en démarrage. Elle est actuellement titulaire de brevets américains 82, européens 28 et a publié des articles sur 100 dans des revues techniques. Dr. Romano a reçu un doctorat en science des matériaux de l'Université de l'Illinois, Urbana.

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