Le gonflement des batteries au lithium est un problème critique qui affecte des appareils allant des smartphones aux véhicules électriques. Ce phénomène compromet non seulement les performances des batteries, mais pose également de sérieux problèmes de sécurité, notamment en ce qui concerne les fuites, les incendies ou les explosions. Il est essentiel pour les fabricants et les utilisateurs de comprendre les causes profondes du gonflement des batteries au lithium afin d'atténuer les risques et de prolonger la durée de vie des batteries. Cet article explore les facteurs scientifiques, opérationnels et environnementaux à l'origine de ce phénomène, en s'appuyant sur des données et des recherches. Pour savoir comment se débarrasser des piles au lithium gonflées, veuillez consulter cet article : Comment se débarrasser des piles au lithium gonflées？
Causes courantes de Gonflement des piles au lithium
1. Décomposition de l'électrolyte et formation de gaz
La décomposition de l'électrolyte est l'un des principaux facteurs de gonflement des batteries au lithium. Dans une cellule lithium-ion, l'électrolyte est responsable du transport des ions lithium entre la cathode et l'anode pendant les cycles de charge et de décharge. Dans des conditions de fonctionnement normales, ce processus se déroule sans heurts. Cependant, lorsque la batterie est exposée à des facteurs de stress, tels qu'une tension élevée, une surcharge ou des températures élevées, les solvants organiques de l'électrolyte (par exemple, le carbonate d'éthylène) commencent à se décomposer.
Cette dégradation entraîne la formation de divers gaz, dont le dioxyde de carbone (CO₂), l'hydrogène (H₂) et le méthane (CH₄). Recherche indique que ces gaz peuvent représenter jusqu'à 60% de l'accumulation de gaz dans les cellules âgées, contribuant ainsi de manière significative à la pression interne. L'accumulation de pression ne provoque pas seulement une expansion physique de la cellule, mais compromet également l'intégrité structurelle du boîtier de la batterie. Dans les cas les plus graves, cela peut entraîner un dégazage, une fuite ou même un emballement thermique, la batterie générant alors de la chaleur de manière incontrôlée. En outre, les impuretés ou les contaminants présents dans l'électrolyte peuvent accélérer ces réactions secondaires, ce qui aggrave encore la situation.
2. Placage au lithium et croissance des dendrites
Le placage de lithium se produit lorsque les ions lithium, au lieu de s'intercaler uniformément dans le matériau de l'anode (généralement du graphite), se déposent sur la surface de l'anode sous forme de lithium métallique. Ce phénomène est particulièrement fréquent en cas de surcharge ou de charge rapide à basse température, où la mobilité réduite des ions les empêche de s'intégrer correctement dans la structure de l'électrode.
Avec le temps, ces dépôts métalliques peuvent se transformer en dendrites - des structures cristallines en forme d'aiguilles qui peuvent devenir suffisamment longues pour percer le séparateur entre l'anode et la cathode. Lorsque les dendrites pénètrent cette barrière, elles créent des courts-circuits internes qui se traduisent par des points chauds localisés et accélèrent encore les réactions chimiques indésirables à l'intérieur de la cellule. Ces réactions produisent souvent du gaz et de la chaleur supplémentaires, qui contribuent tous deux au gonflement. Les risques de sécurité associés à la formation de dendrites sont particulièrement élevés, car ils peuvent entraîner des défaillances catastrophiques, notamment des incendies ou des explosions, si le court-circuit interne est suffisamment important.
3. Contraintes mécaniques et défauts de fabrication
L'intégrité structurelle d'une batterie lithium-ion dépend fortement de la précision du processus de fabrication. Même des imperfections mineures, telles que de légers défauts d'alignement des électrodes, une contamination ou des incohérences dans le revêtement des électrodes, peuvent constituer des points faibles au sein de la cellule. Au cours des cycles de charge et de décharge répétés (souvent appelés "respiration" de la batterie), ces points faibles sont soumis à des contraintes mécaniques.
Cette contrainte mécanique continue peut entraîner l'apparition de microfissures ou la délamination des couches de l'électrode. En se propageant, ces défauts créent des canaux où les gaz, produits par la décomposition de l'électrolyte ou d'autres réactions secondaires, peuvent s'accumuler. En fait, études ont suggéré que les défauts de fabrication microscopiques pourraient être à l'origine de 15-20% des cas de gonflement observés dans les piles commerciales. Il est donc essentiel d'améliorer la précision de la fabrication et le contrôle de la qualité pour minimiser ces risques et garantir la fiabilité à long terme des piles.
4. Surcharge et décharge
L'utilisation de batteries lithium-ion au-delà des limites de tension prescrites est une cause majeure de dégradation. La surcharge force un excès d'ions lithium dans l'anode, ce qui peut entraîner une série de problèmes, notamment des déformations structurelles, une résistance interne accrue et une dégradation chimique accélérée de l'électrolyte. Cet afflux excessif d'ions lithium stresse le matériau de l'anode, ce qui augmente les risques de réactions secondaires génératrices de gaz.
Inversement, une décharge excessive peut être tout aussi dommageable. Lorsque la tension de la batterie tombe en dessous d'un seuil critique, la structure de la cathode peut être compromise et les matériaux de l'électrode peuvent subir des dommages irréversibles. La surcharge et la décharge excessive perturbent toutes deux l'équilibre délicat de la chimie interne de la batterie. Données de l'IEEE Power & Energy Society indique que même une petite surcharge - de seulement 5% - peut augmenter le risque de gonflement de 40% dans les batteries LiCoO₂ standard. Ces conditions de fonctionnement anormales ouvrent également la voie à l'emballement thermique, où la batterie peut surchauffer et gonfler de manière incontrôlée, ce qui présente de graves risques pour la sécurité.
5. Températures élevées et mauvaise gestion thermique
La température joue un rôle essentiel dans la santé et la stabilité d'une batterie lithium-ion. Lorsque la batterie fonctionne à des températures supérieures à 45°C environ, de nombreuses réactions chimiques s'accélèrent à l'intérieur de la batterie. Un composant particulièrement sensible est la couche d'interphase de l'électrolyte solide (SEI) sur l'anode. Cette couche protectrice, qui se forme naturellement au cours des premiers cycles, commence à se dégrader à des températures élevées. En se dégradant, elle expose non seulement l'électrode à une dégradation supplémentaire, mais consomme aussi de l'électrolyte supplémentaire, ce qui entraîne une nouvelle production de gaz.
Les appareils dont la gestion thermique est médiocre - que ce soit en raison de systèmes de refroidissement inadéquats dans les véhicules électriques, les ordinateurs portables ou d'autres appareils électroniques - sont particulièrement vulnérables. Sans une dissipation thermique appropriée, la température de la batterie peut augmenter rapidement, exacerbant les processus de dégradation et entraînant un gonflement. Dans les cas extrêmes, la combinaison de températures internes élevées et d'une production rapide de gaz peut déclencher un emballement thermique, ce qui augmente considérablement le risque d'incendie ou d'explosion.
6. Vieillissement et diminution de la capacité
Comme tous les systèmes rechargeables, les batteries lithium-ion subissent une dégradation progressive au fur et à mesure qu'elles vieillissent. Après des centaines de cycles, les performances de la batterie diminuent inévitablement, un phénomène connu sous le nom d'affaiblissement de la capacité. Ce phénomène est largement dû à la dégradation continue des électrodes : la cathode peut perdre de la matière active au fil du temps, tandis que la couche SEI sur l'anode s'épaissit, réduisant l'efficacité du transport du lithium-ion.
Au fur et à mesure que la batterie vieillit, la résistance interne augmente, ce qui entraîne une production de chaleur supplémentaire pendant la charge et la décharge. Cette chaleur accélère encore les réactions secondaires qui produisent du gaz, contribuant ainsi au gonflement. Un rapport de Université de la batterie Le rapport de la Commission européenne de 2022 indique qu'après environ 500 cycles, le risque de gonflement peut augmenter de 20 à 30% en raison de ces effets de dégradation cumulés. Le déséquilibre entre les électrodes qui se détériorent ne réduit pas seulement la capacité globale de la batterie, mais la rend également plus vulnérable aux problèmes de sécurité, y compris le gonflement et la défaillance éventuelle si le processus de dégradation n'est pas contrôlé.
Conclusion
Le gonflement des batteries au lithium résulte d'interactions complexes entre les réactions chimiques, les conditions de fonctionnement et la qualité de fabrication. Chacun de ces facteurs, qu'il soit chimique, mécanique ou thermique, influe sur la longévité et la sécurité des batteries lithium-ion. Il est essentiel de comprendre ces mécanismes pour développer de meilleures conceptions de batteries, mettre en œuvre des systèmes de gestion thermique efficaces et garantir la sécurité et la fiabilité globales des dispositifs qui reposent sur ces systèmes de stockage d'énergie. En tenant compte de facteurs tels que la stabilité de l'électrolyte, la gestion thermique et le contrôle de la tension, les fabricants peuvent atténuer les risques et améliorer la sécurité. Pour les consommateurs, la compréhension de ces causes garantit une meilleure manipulation des batteries et une plus grande longévité.
