Auto-décharge de la batterie au lithium : causes, méthodes de test et prévention

Les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans les véhicules électriques, les systèmes de stockage d'énergie, les outils électriques, les ordinateurs portables et les appareils électroniques portables. Dans la plupart des applications, les cellules individuelles sont connectées en série ou en parallèle pour former des modules et des packs de batteries.

Pour un pack de batteries, cependant, les performances du pack final ne sont pas déterminées uniquement par la cellule la plus performante.La cohérence des cellules est l'un des facteurs clés affectant la capacité, la durée de vie et la sécurité du pack de batteries.Un facteur important qui peut réduire la cohérence des cellules est le phénomène de décharge spontanée.

Lorsqu'une cellule lithium-ion complètement chargée est stockée sans charge externe, sa tension et son état de charge (SOC) peuvent diminuer progressivement. Ce phénomène est connu sous le nom de décharge spontanée. Si les cellules d'un même pack de batteries ont des taux de décharge spontanée significativement différents, leur SOC peut devenir de plus en plus déséquilibré pendant le stockage, ce qui peut affecter la capacité du pack, la durée de vie en cycle et la sécurité.Cet article explique les principales causes de la décharge spontanée des batteries au lithium, les méthodes courantes de test de décharge spontanée et les approches pratiques pour contrôler la décharge spontanée lors de la fabrication des batteries au lithium.Défauts locaux entre l'électrode et le séparateur

La décharge spontanée d'une batterie au lithium fait référence à la perte progressive d'énergie stockée lorsqu'une batterie n'est pas connectée à une charge externe.

Idéalement, une batterie devrait maintenir une tension en circuit ouvert (OCV) relativement stable pendant le stockage. En réalité, des réactions chimiques internes et de faibles courants de fuite peuvent consommer progressivement du lithium actif et réduire l'énergie stockée de la batterie.

Chimie de la batterie et matériaux d'électrode

État de charge (SOC)

Température de stockage

• Réactions secondaires de l'électrolyte et de l'électrode
• Humidité et impuretés
• État du séparateur
• Défauts de fabrication
• Micro-courts-circuits internes
• Pour les fabricants de batteries, le problème le plus important n'est souvent pas simplement de savoir si une cellule a une décharge spontanée, mais plutôt si différentes cellules ont des taux de décharge spontanée significativement différents.
• C'est pourquoi les tests de décharge spontanée sont étroitement liés au classement des cellules de batteries au lithium et à la cohérence des packs de batteries.
• Qu'est-ce qui cause la décharge spontanée des batteries au lithium ?

La décharge spontanée des batteries lithium-ion peut généralement être associée à deux mécanismes principaux : les fuites internes ou les micro-courts-circuits et les réactions électrochimiques secondaires.1. Fuites internes et micro-courts-circuitsDéfauts locaux entre l'électrode et le séparateur

Les causes potentielles incluent :

Bavures d'électrode générées lors de la découpePoussière ou débris d'électrodeParticules étrangères entrant lors de l'assemblage de la celluleDommages au séparateurDéfauts locaux entre l'électrode et le séparateur

Les cellules affectées par des micro-courts-circuits internes peuvent présenter une chute de tension significativement plus élevée pendant le stockage que les cellules normales.

2. Réactions électrochimiques secondaires

• Le deuxième mécanisme principal est lié aux réactions chimiques se produisant à l'intérieur de la cellule.
• Les exemples incluent :
• Oxydation ou réduction de l'électrolyte
• Formation et réparation continues de la couche SEI
• Réactions impliquant l'humidité et les composants de l'électrolyte
• Réactions à l'interface cathode/électrolyte

Dégradation des matériaux d'électrode

L'humidité est particulièrement importante dans la fabrication des batteries lithium-ion. Un excès d'eau peut réagir avec les composants de l'électrolyte et contribuer à la formation d'espèces acides, qui peuvent accélérer la dégradation de l'interface et consommer du lithium actif.

Pourquoi la décharge spontanée est-elle importante pour les packs de batteries ?

La décharge spontanée devient particulièrement importante lorsque de nombreuses cellules sont connectées ensemble.

• Imaginez que plusieurs cellules aient la même capacité initiale mais des taux de décharge spontanée légèrement différents. Après une période de stockage, leurs niveaux de SOC peuvent ne plus être égaux.
• Cela peut entraîner :
• 1. Déséquilibre du SOC
• Différentes cellules peuvent atteindre différents niveaux de tension et de SOC après stockage.
• Dans un pack de batteries connecté en série, la cellule la plus faible ou la plus déchargée peut devenir la cellule limitante pendant la charge et la décharge.

2. Réduction de la capacité utilisable

La capacité utilisable d'un pack de batteries est fortement influencée par la cohérence des cellules utilisées pour l'assembler.

3. Exigences accrues en matière de test de packs de batteries

Les fabricants de batteries peuvent avoir besoin de combiner plusieurs processus de test, notamment :

Formation de cellules → Classement par capacité → Test de décharge spontanée/stockage → Tri OCV/IR → Soudage par points du pack de batteries → Assemblage du pack → Test du pack → Vieillissement

4. Problèmes de stockage à long terme

La décharge spontanée peut devenir particulièrement perceptible lorsque les batteries sont stockées pendant des semaines ou des mois.

Comment la décharge spontanée des batteries au lithium est-elle testée ?

Une approche courante consiste à comparer les paramètres électriques de la batterie avant et après une période de stockage contrôlée.

Charge → Repos → Mesure OCV → Stockage → Nouvelle mesure OCV → Calcul de la variation de tension → Classement des cellules

1. Contrôler le SOC initial

Différents points de SOC peuvent produire des réponses de tension différentes, les fabricants doivent donc sélectionner un SOC approprié en fonction de la chimie de la batterie et de l'objectif du test.

Plus important encore, toutes les cellules comparées doivent être testées dans les mêmes conditions.

Immédiatement après la charge, la tension mesurée peut être affectée par la polarisation.

Par conséquent, les cellules doivent normalement être laissées au repos pendant une période définie avant la mesure initiale de l'OCV.

3. Maintenir une température stable

Pour cette raison, les tests de décharge spontanée doivent être effectués dans des conditions environnementales contrôlées.

Les paramètres importants incluent :

Température ambiante

SOC

Tension initiale

Tension finale

Précision de l'équipement de mesure

4. Mesurer la tension avant et après le stockage

Après la période de stockage spécifiée, la tension de la cellule est à nouveau mesurée.

• Une simple comparaison peut être exprimée comme suit :
• Chute de tension = OCV initiale − OCV finale
• Pour une analyse plus détaillée, les fabricants peuvent calculer la variation de tension sur une période de stockage définie :
• Indicateur de décharge spontanée = Chute de tension / Durée de stockage
• Cette valeur doit être interprétée en conjonction avec la chimie de la batterie, le SOC, la température et les conditions de test plutôt que d'être utilisée comme une limite universelle de réussite/échec.
• Contrôle de la contamination métallique
• Les tests de décharge spontanée et le classement des cellules sont liés, mais ce ne sont pas exactement le même processus.

Capacité

Performance de charge

Tension

L'objectif est de classer les cellules ayant des caractéristiques électriques similaires dans la même catégorie.

Par exemple, l'équipement de classement de cellules au lithium d'ACEY prend en charge le contrôle de canal indépendant, les tests de charge/décharge, l'enregistrement des données et la classification des cellules. Certains modèles prennent également en charge le retour d'énergie pour réduire la consommation d'énergie pendant les tests de décharge.

Pour les fabricants assemblant des packs de batteries cylindriques, une machine de classement de cellules au lithium à 256 canaux, 5V 20A, peut être utilisée pour les tests de charge/décharge et la classification par capacité des cellules dans la gamme de diamètre approximative de 18 à 32 mm et de longueur de 65 à 140 mm.Pour les batteries au lithium prismatiques, ACEY fournit également un testeur de charge et décharge de batteries à 128 canaux, 5V 30A, conçu pour le classement par capacité et les tests de charge/décharge des cellules prismatiques.

• Optimisation de la formation et du vieillissement
• Ces systèmes peuvent donc être utilisés comme une partie importante d'un processus plus large de contrôle qualité des cellules de batteries.
• Comment les fabricants peuvent-ils réduire la décharge spontanée des batteries au lithium ?
• L'approche la plus efficace consiste à contrôler la décharge spontanée au stade de la fabrication plutôt que de se fier uniquement à l'inspection finale.
• 1. Contrôler la contamination métallique

La contamination métallique doit être contrôlée tout au long de la préparation des matières premières et de la fabrication des électrodes.

Les mesures de contrôle potentielles comprennent :Inspection des matières premièresDétection de contamination métallique magnétique

Filtration de la boue

Inspection de surface des électrodes

Nettoyage de l'équipementContrôle des particules étrangèresUne attention particulière doit être accordée aux particules métalliques qui peuvent créer des chemins conducteurs à l'intérieur de la cellule.

2. Réduire les bavures et la poussière d'électrode

La découpe et la manipulation des électrodes peuvent générer des bavures et des particules.

Paramètres de refendage

Manipulation des électrodes

Processus d'enroulement ou d'empilage

• Collecte de poussière
• Propreté de la ligne de production
• La réduction des particules et des bavures peut aider à minimiser la possibilité de défauts internes.
• 3. Contrôler l'humidité
• Le contrôle de l'humidité est une autre partie importante de la fabrication des batteries au lithium.
• Les mesures recommandées comprennent :

Séchage approprié des électrodes

Contrôle de l'humidité de la pièce sèche

Minimisation du temps d'exposition après séchage

• Contrôle des conditions de remplissage de l'électrolyte
• Réduction du stockage inutile des produits en cours
• Surveillance de l'humidité des matériaux avant assemblage
• Un contrôle cohérent de l'humidité aide à réduire les réactions indésirables de l'électrolyte et des électrodes.
• 4. Améliorer les processus de formation et de vieillissement des cellules
• La formation et le vieillissement sont des étapes importantes pour établir des caractéristiques électrochimiques stables.

Pendant la production, les fabricants peuvent surveiller :

Courant de charge

Courant de décharge

• Température de la cellule
• Temps de repos
• Variations de l'OCV
• Capacité
• Résistance interne
• Les cellules anormales identifiées pendant ces étapes peuvent être séparées avant d'entrer dans le processus d'assemblage du pack de batteries.
• 5. Combiner le classement par capacité avec le tri par tension et IR

La capacité seule ne donne pas une image complète de la cohérence des cellules.

Classement par capacité → Tri OCV/IR → Appariement des cellules → Assemblage du pack

Cette approche est particulièrement utile pour les packs de batteries cylindriques et prismatiques où la cohérence des cellules affecte directement les performances du pack.

• Conclusion
• La décharge spontanée des batteries au lithium est causée par une combinaison de fuites internes, de défauts de micro-court-circuit et de réactions électrochimiques secondaires. La gravité du problème dépend de la chimie de la batterie, des matériaux, de la qualité de fabrication, du SOC, de la température et des conditions de stockage.
• Pour les fabricants de batteries, le contrôle de la décharge spontanée n'est pas simplement une question de mesure de la tension après stockage. Une stratégie plus complète devrait inclure :
• Contrôle de la contamination métallique
• Réduction des bavures et des particules d'électrode
• Contrôle de l'humidité
• Optimisation de la formation et du vieillissement
• Réalisation de tests de charge/décharge précis

Classement des cellules selon leurs caractéristiques électriques

Une machine de classement de cellules au lithium fiable peut jouer un rôle important dans ce processus en fournissant des tests de charge/décharge contrôlés, une collecte de données précise et une classification automatisée des cellules.

En combinant le contrôle du processus de fabrication avec des tests systématiques de batteries, les fabricants peuvent améliorer la cohérence des cellules et construire des packs de batteries lithium-ion plus fiables pour les VE, les ESS, les outils électriques et d'autres applications.

Qu'est-ce que la décharge spontanée d'une batterie au lithium ?

Comment tester la décharge spontanée d'une batterie au lithium ?

Une méthode courante consiste à charger les cellules à un SOC contrôlé, à permettre la récupération de la polarisation, à mesurer l'OCV initiale, à stocker les cellules dans des conditions contrôlées, puis à mesurer à nouveau l'OCV. La variation de tension pendant la période de stockage peut être utilisée comme indicateur du comportement de décharge spontanée.

• Une machine de classement de cellules peut-elle tester la décharge spontanée ?
• Une machine de classement de cellules effectue principalement des tests de charge/décharge et de capacité contrôlés plutôt que de remplacer un test de décharge spontanée dédié à long terme. Cependant, ses fonctions précises de tension, de courant, de capacité et d'enregistrement de données peuvent constituer une partie importante d'un processus plus large de cohérence et de contrôle qualité des cellules.
• Pourquoi la cohérence des cellules est-elle importante pour les packs de batteries ?
• Les cellules ayant des capacités, des résistances internes ou des caractéristiques de décharge spontanée différentes peuvent devenir de plus en plus déséquilibrées lorsqu'elles sont connectées en série ou en parallèle. Un meilleur appariement des cellules contribue à améliorer les performances du pack de batteries, la capacité utilisable et la fiabilité à long terme.