Séparateur

Bien que des questions restent en suspens sur le processus d’emballement thermique dans les batteries, les connaissances actuelles suggèrent qu’il est déclenché par la série d’événements suivants. Les réactions exothermiques qui conduisent à l’emballement thermique interagissent de manière destructive avec chaque composant interne d’une batterie lithium-ion (LIB) lorsque la température de la batterie continue d’augmenter ; certains éléments sont touchés de façon précoce tandis que la plupart accélèrent directement l’accumulation de chaleur lorsqu’ils se dégradent.
Le premier composant qui commence à se dégrader est l’interphase d’électrolyte solide (SEI). Ceci se produit généralement autour de 80-120 °C (176-248 °F). À ce stade, l’emballement thermique peut être ralenti, mais n’est plus réversible une fois que l’anode est exposée à l’électrolyte. Les réactions exothermiques qui se produisent à la surface de l’anode réactive augmentent davantage la chaleur dans le système jusqu’à ce qu’il atteigne les températures critiques suivantes.
Le séparateur est le deuxième composant affecté, et il cède en deux étapes. Vers 120-150 °C (248-302 °F), le séparateur commence à fondre et provoque un petit court-circuit, suivi d’un court-circuit interne plus grave lorsqu’il casse vers 220-250 °C (428-482 °F).
Les réactions suivantes se produisent rapidement et immédiatement après la plage de température précédente ; le matériau de la cathode, le liant et l’électrolyte commencent tous à se décomposer, ce qui élève considérablement la température de la cellule de la batterie qui atteint environ 800 °C (1 472 °F). Ces réactions libèrent des produits gazeux qui augmentent la pression à l’intérieur de la LIB.
Outre la production rapide de chaleur, les réactions cathodiques dégagent un sous-produit nocif à base d’oxygène qui est inflammable. Selon les conditions exactes, le résultat immédiat est soit « Chaleur + Oxygène = Feu », soit « Chaleur + Gaz = Rupture/Explosion ». Bien sûr, tous les matériaux ne sont pas identiques et peuvent céder au bas ou au haut de ces plages, ou même en dehors de ces plages par la suite ; il est donc essentiel de choisir grâce à des tests appropriés les matériaux les plus sûrs possibles pour une batterie donnée.

Thermogramme TGA qui met en évidence l’instabilité thermique du matériau de l’anode en graphite

Pour éviter l’emballement thermique et sélectionner des matériaux de batterie avec des tolérances thermiques optimales, les chercheurs dans le domaine des batteries se tournent vers la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et l’analyse thermogravimétrique (TGA) :

DSC : la DSC mesure le flux de chaleur qui entre ou sort d’un matériau en fonction de la température ou du temps. Les changements de phase interrompent la relation de capacité thermique entre le changement de température et la chaleur absorbée ou libérée et sont visibles sur le graphique de sortie. Ceci permet d’effectuer les tests dans différentes conditions qui vont de la température de fonctionnement sans risque à l’abus thermique.

TGA : la TGA mesure la masse d’un échantillon en fonction de la température ou du temps. De manière générale, un matériau plus stable thermiquement peut atteindre une température plus élevée avant qu’un changement de masse ne se produise.

La DSC permet d’obtenir les informations suivantes :

• La température de fusion du matériau, Tm.
• La température de transition vitreuse du matériau, Tg.
• La température de changement de phase la plus basse des différents matériaux qui composent la batterie.

La TGA permet d’obtenir les informations suivantes :

• La température à laquelle un matériau commence sa décomposition.
• La quantité de masse d’échantillon perdue par décomposition thermique ou oxydative à une température donnée.
• La vitesse des réactions de décomposition (à la fois oxydatives et thermiquement induites) à une température donnée.
• La température maximale thermiquement stable des différents matériaux qui composent la batterie.