Note technique importante : Sécurité des batteries d’ASC 5P au lithium-ion Eaton

Dans la recherche de densités énergétiques plus élevées, la croissance dendritique est une préoccupation majeure, surtout pour les batteries au lithium-ion de nouvelle génération dont la conception des deux électrodes repose sur du lithium-métal (par opposition à une électrode à base de carbone). Dans les ASC 5P au lithium-ion d’Eaton, les cellules de lithium-ion utilisent une électrode positive en phosphate de fer lithié (_LiFePO4 ou LFP) et une électrode négative en graphite (carbone), au lieu d’une électrode négative au lithium-métal qui est plus sujette à une croissance dendritique^1-6. De plus, les cellules LFP sont l’une des technologies au lithium-ion les plus sûres actuellement disponibles en raison de leur température de séparation thermique élevée et leur tolérance aux variations de tension et à l’utilisation abusive⁷.

Dans les cellules 5P chargées, les ions de lithium intercalés circulent de l’électrode négative à base de carbone (anode pendant la décharge) à l’électrode positive LFP (cathode pendant la décharge); le rapport et la structure des atomes de carbone par rapport aux atomes de lithium dans l’électrode négative à différents états de capacité de charge permettent d’éviter la formation de grandes dendrites à la surface du carbone lorsqu’elle est utilisée dans les plages de tension prévues^1,2,3, qui sont soigneusement contrôlées par le BMS. Bien que les cellules utilisées dans les ASC 5P au lithium-ion soient relativement coûteuses, elles sont conçues pour supporter les taux de décharge élevés auxquels elles peuvent être soumises tout en étant sécuritaires aux points de vue de la construction, des matériaux et de la composition chimique.

Pendant la charge dans l’ASC 5P au lithium-ion, un courant de charge maximal relativement faible de 0,25 C est utilisé (les cellules sont conçues pour un taux de charge maximal de 1 C nominal, 2 C max), ce qui permet d’éviter que des dendrites ne se développent sur l’électrode positive LFP lorsque les ions lithium reviennent vers l’électrode à base de carbone³. Même à ce taux de charge, l’ASC 5P au lithium-ion ne nécessite généralement que six à huit heures pour atteindre la charge complète, selon le taux de décharge précédent, tout en supportant la charge sur la batterie.

Les cellules LFP utilisées dans l’ASC 5P au lithium-ion sont de haute qualité, conçues selon des processus de fabrication visant à réduire les impuretés et l’humidité tout en surveillant continuellement la qualité sur la chaîne de production. Chaque cellule intègre une protection contre les surcharges, une ventilation sous pression, un revêtement anti-perforation en céramique et une protection sur l’électrode positive LFP afin de limiter les courts-circuits provenant de toute croissance dendritique.

Les cellules de format 26650 de l’ASC 5P 1U d’Eaton reposent sur la technologie lithium-ion connue sous le nom de phosphate de fer lithié (LiFePO₄, ou LFP) pour l’électrode positive. L’espace physique disponible dans cette ASC 1U étant suffisant pour atteindre les objectifs de durée de fonctionnement avec des cellules à électrode négative à base de carbone, une cellule à très haute densité énergétique utilisant du lithium métal pour les deux électrodes n’est pas nécessaire^1-6.

De plus, la technologie LFP au lithium-ion est plus tolérante aux variations de tension et possède un point de rupture thermique beaucoup plus élevé (~270 °C) que le dioxyde de cobalt et de lithium (LCO, 150 °C) utilisé pour la première fois dans les appareils électroniques comme les téléphones cellulaires et les ordinateurs portables⁷. En outre, la LFP offre des avantages similaires par rapport à d’autres produits chimiques au lithium-ion comme les oxydes de nickel-cobalt-aluminium (NCA, ~150 °C), au lithium-nickel-manganèse-cobalt (LMOL, ~250 °C) ou au lithium-nickel-manganèse-nickel (NMC, ~210 °C) que l’on trouve dans les outils électriques, certaines ASC et plusieurs véhicules électriques à ce jour⁷. Les batteries au lithium-ion utilisant le phosphate de fer lithié (LFP) ont également une forte liaison Fe-P-O qui résiste mieux aux réactions d’oxydoréduction que les batteries au lithium-ion à base de cobalt face à des conditions d’origine externe comme les courts-circuits, la surchauffe, etc.⁸

Nos cellules au lithium-ion sont conformes à la norme CEI 62133 et notre ensemble de blocs-batteries au lithium-ion est conforme aux normes UL1642 et UL1973, ainsi qu’à la norme UN/DOT38.3 relative aux ASC au lithium-ion 5P.

Entre UL1642 et UL1973, la liste suivante de tests de sécurité est effectuée sur les cellules au lithium-ion et/ou le bloc-batterie :

De plus, un sous-ensemble des tests énumérés ci-dessous est effectué sur les cellules individuelles au lithium-ion dans le cas de la norme CEI 62133 ou sur l’ensemble du bloc-batterie dans le cas de la norme DOT/UN38.3.

Dans le cadre des tests DOT/UN38.3, la température du boîtier des cellules ne doit pas dépasser 170 °C; étant donné que les cellules LFP (phosphate de fer lithié) utilisées dans les ASC 5P 1U au lithium-ion ont un point d’emballement thermique bien supérieur à cette température, le risque d’un tel emballement lorsqu’elles sont exposées à des situations telles que les conditions de test est limité.

Enfin, Eaton a mené des essais internes rigoureux sur les cycles et les performances de l’ASC 5P 1U au lithium-ion afin de caractériser la sécurité et les performances du produit sur une période de plusieurs années avant le lancement. Tout en prenant en charge la pleine charge de sortie à 40 °C (104 °F), qui est la température ambiante nominale maximale de l’ASC, les unités d’essai ont été déchargées et chargées en continu (environ trois cycles par jour) jusqu’à ce que tous les échantillons aient atteint nos objectifs de durée de vie. Dans tous les cas utilisant nos blocs-batteries de type 26650, toutes les unités testées ont atteint nos objectifs de durée de vie, sans aucune défaillance ou problème. La qualité, la sécurité et la fiabilité étant pour nous de la plus haute importance, nous continuerons à tester et à évaluer nos ASC au lithium-ion.

Travaux cités

^{1. Institut polytechnique Rensselaer. « Temperature heals lithium dendrites ». TechXplore. 30/03/2018, https://techxplore.com/news/2018-03-temperature-lithium-dendrites.html. Consulté le 5 juin 2019.}

^{2. Clemens, Kevin. « Three Ways That Lithium Dendrites Grow ». Design News. 05/11/2018, https://www.designnews.com/electronics-test/three-ways-lithium-dendrites-grow/78500767259733. Consulté le 22 mai 2019.}

^{3. Clemens, Kevin. « Heating Heals Lithium Dendrites ». Design News. 24/04/2018, https://www.designnews.com/electronics-test/heating-heals-lithium-dendrites/211268355358591. Consulté le 5 juin 2019.}

^{4. Yarris, Lynn. « Roots of the Lithium Battery Problem: Berkeley lab Researchers Find Dendrites Start Below the Surface. » Science Shorts. 17/12/2013, https://newscenter.lbl.gov/2013/12/17/roots-of-the-lithium-battery/. Consulté le 24 mai 2019.}

^{5. Jefferson, Brandie. « Whiskers, surface growth and dendrites in lithium batteries. » Université de Washington à St. Louis. Phys.org. 25/10/2018, https://phys.org/news/2018-10-whiskers-surface-growth-dendrites-lithium.html. Consulté le 24 mai 2019.}

^{6. Wood, Kevin N. et coll. « Dendrites and Pits: Untangling the Complex Behavior of Lithium Metal Anodes through Operando Video Microscopy. » ACS Cent. Sci. 2016, 2, 11, 790-801. Date de publication : 14 octobre 2016, https://doi.org/10.1021/acscentsci.6b00260. Consulté le 24 mai 2019.}

^{7. Battery University. « BU-205: Types of Lithium-ion. » Battery University. Dernière mise à jour : 24/04/2019, https://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion. Consulté le 24 mai 2019.}

^{8. « Harding Energy | Lithium Ion batteries | Lithium Polymer | Lithium Iron Phosphate ». Harding Energy. http://www.hardingenergy.com/lithium-2/#phosphate. Consulté le 6 juin 2019.}