Les chimistes développent une nouvelle technologie pour empêcher les batteries lithium-ion de prendre feu
Les risques d’incendie des batteries au lithium-ion sont considérables dans le monde entier et une telle défaillance peut avoir de graves conséquences pour les smartphones et les voitures électriques, explique le chef du groupe et professeur au département d’électrochimie de l’Université de Saint-Pétersbourg, Oleg Levin. « De 2012 à 2018, 25000 cas de prise de feu par une large gamme d’appareils aux États-Unis uniquement ont été signalés. Auparavant, de 1999 à 2012, seuls 1 013 cas avaient été signalés. Le nombre d’incendies augmente, tout comme le nombre de batteries utilisées », a-t-il déclaré.
Les surcharges, les courts-circuits et autres sont parmi les principales raisons pour lesquelles les batteries au lithium-ion prennent feu ou explosent. En conséquence, la batterie surchauffe et la cellule de batterie entre en emballement thermique. L’augmentation de la température jusqu’à 70 ou 90 ° C peut entraîner des réactions chimiques dangereuses pouvant entraîner une augmentation supplémentaire de la température et par conséquent un incendie ou une explosion. Pour empêcher les batteries de prendre feu, nous pouvons utiliser un appareil adjacent, c’est-à-dire un microcircuit électronique. Il suit tous les paramètres de la batterie et peut éteindre la batterie en cas d’urgence. Pourtant, la plupart des incidents d’incendie étaient dus à des défaillances des microcircuits électroniques causées par des défauts de fabrication.
«C’est pourquoi il était particulièrement important de développer une stratégie de sécurité de la batterie basée sur les réactions chimiques pour bloquer la circulation du courant électrique à l’intérieur de la batterie. Pour cela, nous proposons d’utiliser un polymère spécial. Sa conductivité électrique peut s’adapter aux fluctuations de tension dans la batterie. Si la batterie fonctionne normalement, le polymère n’empêche pas le courant électrique de circuler. Si la batterie est surchargée, s’il y a un court-circuit ou si la tension de la batterie chute en dessous des niveaux de fonctionnement normaux, le polymère passe dans un mode dit isolateur, disjoncteur, »a déclaré le professeur Levin.
Il existe des polymères qui peuvent changer de résistance lorsqu’ils sont chauffés, explique le professeur Levin. Le problème auquel nous avons été confrontés lors de l’utilisation de cette technologie, y compris dans les entreprises de Saint-Pétersbourg, était que si le polymère commence à fonctionner comme un isolateur, cela signifie que la batterie a déjà subi une surchauffe, ce qui a entraîné des processus dangereux qui ne peuvent pas être arrêtés simplement en se cassant. circuit électrique. Cela rend cette technologie loin d’être efficace. Pourtant, ces progrès ont suscité des intérêts dans la recherche de nouvelles technologies, y compris le polymère qui sera capable d’ajuster la tension avant que la batterie ne commence à surchauffer.
«J’ai collaboré avec Evegenii Beletskii, mon étudiante de troisième cycle au département d’électrochimie, qui avait travaillé dans l’industrie. Il possède une vaste expérience dans le développement de systèmes de sécurité des batteries. Cela nous a beaucoup aidés dans la réalisation de la partie expérimentale du projet qui portait sur le fonctionnement du polymère. Anna Fedorova, étudiante de troisième cycle au Département d’électrochimie, a également travaillé dans l’industrie. Dans le projet, elle était principalement concernée par le calcul des propriétés physiques et chimiques du matériau », a déclaré Oleg Levin.
Le projet a duré deux ans. Au cours des six années précédant le début du projet de développement de la technologie, les scientifiques ont mené des recherches fondamentales pour étudier les propriétés physiques et chimiques d’une large gamme de polymères. Ils ont découvert une classe de polymères qui modifient la résistance avec la tension. C’est ce sur quoi les scientifiques se sont concentrés.
«La partie la plus difficile dans le développement du » fusible chimique « a été de trouver un polymère actif. Nous connaissions une grande variété de polymères de cette classe. Pourtant, choisir celui qui conviendrait pour créer un prototype était difficile à résoudre », a déclaré Oleg Levin. «De plus, nous avons dû faire progresser la technologie en développant une version industrielle pour montrer que nous avions eu une idée de stratégie efficace de sécurité des batteries. Ainsi, nous avons dû acheter beaucoup de nouveaux équipements pour les techniques de prototypage et d’ajustement pour travailler avec des batteries lithium-ion.
Ce qui différencie cette technologie de sécurité, c’est sa grande évolutivité. Par exemple, la taille du circuit de garde de réglage traditionnel dépend de la puissance de la batterie. Par conséquent, le schéma des batteries motrices des voitures électriques sera à la fois volumineux et coûteux. La mise à l’échelle du «fusible chimique» est simple car il est appliqué sur toute la surface du collecteur de courant interne.
«Les batteries au lithium-ion utilisent différents types de cathodes, c’est-à-dire des électrodes chargées positivement par lesquelles les électrons pénètrent dans un appareil électrique. Ils ont une tension de fonctionnement différente. Ainsi, un polymère de sécurité doit réagir en conséquence. Nous avons réussi à trouver un polymère qui ne conviendrait qu’à un seul type de batterie, à savoir une batterie lithium fer phosphate. La modification de la structure du polymère peut entraîner une modification de sa conductivité pour le rendre adapté à d’autres types de cathodes actuellement sur le marché. Nous avons quelques réflexions sur la façon de rendre cette stratégie de sécurité plus universelle en ajoutant un composant de sécurité dans le polymère pour s’adapter aux changements de niveaux de température dans la batterie. Cela devrait éliminer tous les risques d’incendie associés aux batteries », a déclaré Oleg Levin.
Avant de publier l’article, l’Université de Saint-Pétersbourg a reçu un brevet pour cette technologie. Les scientifiques préparent actuellement un modèle grandeur nature de batteries protégées pour en faire la démonstration aux investisseurs potentiels.
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