Investigation of the reaction mechanisms occurring during Li-ion battery overcharge
Etude des mécanismes réactionnels mis en jeu lors d'une rupture de confinement d'une batterie Li-ion soumise à un essai abusif
Résumé
Many devices involve Li-ion batteries (cell phones, laptops, electric vehicles, airplanes…). As hazardous situations can occur during the life of the battery, it is of great importance to understand its behavior under abusive conditions (mechanical, thermal or electrical). In particular, the study of overcharge, which consists in forcing a current through the cell, can be very helpful in improving battery safety. Very few studies in the literature have focused on the chemical reaction mechanisms responsible for failure during overcharge. Nevertheless, this is of great interest because a Li-ion battery can produce reactions in a sealed container and thus appears as a very reactive system. In this study, experimental and numerical approaches were employed to understand the reaction mechanisms that occur during overcharge testing. Experiments consisted in studying:- the overcharge kinetics of a 35cm³ commercial battery at an initial state of charge (SOC) of 100%. The battery was maintained in a known volume and the gaseous sample was withdrawn continuously and at the end of the test. The main gaseous species (inert gases such as CO², flammable and toxic gases such as CO, H₂, solvent vapors) were identified and quantified by gas phase chromatography coupled with mass spectrometry and FTIR spectroscopy.- thermal stability of electrolytes in order to quantify the influence of the solvent in the total gas cell emission. Experimental results were compared with simulations based on thermodynamic and kinetic calculations carried out using a detailed reaction mechanism.
Garantir la sécurité des batteries Li-ion en situation accidentelle est un des enjeux majeurs pour leur déploiement dans des systèmes embarqués. De nombreux essais abusifs (agressions mécaniques, thermiques ou électriques) conduisent à l’émanation de gaz dont la quantité et la nature dépendent, notamment, des matériaux constitutifs de la batterie. Dans ce contexte, il est proposé d’étudier le lien agression-émanation gazeuse via la compréhension des mécanismes réactionnels mis en jeu lors d’un essai abusif de type surcharge. Une meilleure connaissance des gaz émis permettra d’orienter en amont les choix des matériaux de conception des batteries et d’améliorer en aval l’aspect inflammabilité après déconfinement. Dans une première partie, les deux types de montage mis au point afin de réaliser des tests de surcharge couplés à l’identification et la quantification des gaz émis suite au déconfinement de la cellule Li-ion commerciale étudiée sont décrits. Le montage statique permet l’analyse en fin de test et le montage continu permet l’analyse des gaz en continu pendant le test. Les résultats de ces essais sont ensuite discutés et confrontés à ceux de la littérature. Dans une seconde partie, un montage de dégradation thermique des solvants volatils de l’électrolyte de la cellule Li-ion d’étude est développé afin d’évaluer la contribution de cette agression thermique dans l’émanation totale de la cellule d’étude soumise aux tests de surcharge pratiqués. Enfin, l’apport possible de la modélisation à la compréhension des mécanismes réactionnels et à l’étude de la sécurité après déconfinement est discuté.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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