Pourquoi les batteries au lithium fer phosphate tombent-elles en panne ?

I. Défaillance au cours du processus de production
Dans le processus de production, le personnel, les équipements, les matières premières, les méthodes et l'environnement sont les principaux facteurs qui influent sur la qualité du produit. Le personnel et les équipements relevant de la gestion, nous nous concentrerons ici sur ces trois derniers facteurs.
1. Impuretés dans les matériaux actifs des électrodes
Lors de la synthèse du LiFePO4 (phosphate de fer lithié), de faibles quantités d'impuretés telles que Fe2O3, Fe2P et Fe se forment. Ces impuretés se réduisent à la surface de l'électrode négative et peuvent perforer la membrane, provoquant un court-circuit interne. Une exposition prolongée du LiFePO4 à l'air et à l'humidité peut entraîner… Batterie se détériorer.
2. Méthode de formation
Lors de la formation, une charge avec un faible courant permet d'obtenir une composition et une épaisseur uniformes du film SEI, mais ce processus est long ; une charge avec un courant élevé provoque davantage de réactions secondaires, ce qui augmente l'irréversibilité.partenairela perte d'ions lithium et l'augmentation de l'impédance de l'interface de l'électrode négative, mais cela permet de gagner du temps ; le mode de formation de faible courant constant - fort courant constant - tension constante est maintenant plus couramment utilisé, ce qui permet de prendre en compte les avantages des deux.
3. L'eau dans l'environnement de production
Les molécules d'eau réagissent avec les sels de lithium présents dans l'électrolyte, ce qui entraîne non seulement la décomposition et la consommation de ce dernier, mais aussi la production de fluorure d'hydrogène (HF). Ces deux phénomènes détruisent le film SEI, et le HF favorise également la corrosion des substances actives LiFePO4. Les molécules d'eau délithient également la partie en graphite de l'électrode négative contenant du lithium et forment de l'hydroxyde de lithium à la base du film SEI. De plus, l'oxygène dissous dans l'électrolyte accélère le vieillissement des batteries LiFePO4.
4. Personnel, équipement et autres facteurs
Le personnel, l'équipement et d'autres facteurs relèvent davantage de la gestion. Outre la réussite des tests techniques, il convient de maintenir à niveau le personnel, l'équipement, etc., afin d'améliorer et d'optimiser conjointement la qualité des produits.

II. Défaillance pendant le stockage
De manière générale, les batteries sont stockées la plupart du temps. Après une longue période de stockage, Performances de la batterie La capacité de la batterie tend à diminuer, se traduisant généralement par une augmentation de sa résistance interne, une baisse de sa tension et une diminution de sa capacité de décharge. De nombreux facteurs contribuent à cette dégradation, parmi lesquels la température, l'état de charge et le temps sont les plus importants.
La température de stockage a un impact plus important sur le vieillissement des batteries LiFePO4, et l'état de charge au stockage a un impact secondaire.
Le vieillissement des batteries LiFePO4, sous différents états de stockage, est principalement dû aux réactions parasites des électrodes positives et négatives et de l'électrolyte. Ce processus entraîne une forte consommation d'ions lithium actifs et une augmentation de l'impédance de la batterie, ce qui accélère son vieillissement. De plus, la perte de capacité s'accroît significativement avec la température de stockage. En revanche, plus le niveau de charge est élevé, plus la perte de capacité est faible.
Que ce soit en charge ou en décharge, aucune réaction entre LiFePO4 et différents électrolytes n'a été observée dans la plage de températures allant de la température ambiante à 85 °C. Cependant, LiFePO4 conserve une certaine réactivité lorsqu'il est immergé dans un électrolyte LiPF6 pendant une période prolongée : la formation de l'interface étant très lente, aucun film de passivation ne se forme à la surface de LiFePO4 pour empêcher toute réaction ultérieure avec l'électrolyte, même après un mois d'immersion.
De plus, lorsqu'elles sont stockées, les mauvaises conditions de stockage (température élevée et état de charge élevé) augmenteront le degré d'autodécharge des batteries LiFePO4, rendant le vieillissement de la batterie plus évident.
III, défaillance en utilisation cyclique
Les batteries dégagent généralement de la chaleur pendant leur utilisation ; la température a donc une influence considérable. De plus, l’état de la route, le mode d’utilisation, la température ambiante, etc., auront également un impact.
La perte de capacité des batteries LiFePO4 lors des cycles de charge/décharge est généralement attribuée à la diminution du nombre d'ions lithium actifs. Des études ont montré que le vieillissement de ces batteries se caractérise principalement par la formation d'une couche d'interface électrolyte solide (SEI) qui consomme ces ions. La perte d'ions lithium actifs réduit directement la rétention de capacité. Par ailleurs, la croissance continue de la couche SEI augmente l'impédance de polarisation de la batterie et, si son épaisseur devient excessive, l'activité électrochimique de l'électrode négative en graphite est partiellement inhibée.
Lors des cycles à haute température, les ions Fe²⁺ présents dans LiFePO₄ se dissolvent partiellement. Bien que la quantité de Fe²⁺ dissous n'ait pas d'effet notable sur la capacité de l'électrode positive, la dissolution des ions Fe²⁺ et la précipitation du fer dans l'électrode négative en graphite catalysent la croissance du film SEI. La majeure partie de la perte d'ions lithium actifs se produit à la surface de l'électrode négative en graphite, notamment lors des cycles à haute température ; la perte de capacité est donc plus rapide dans ces conditions.
Outre la perte d'ions lithium actifs, les matériaux des électrodes positive et négative se détériorent au cours des cycles de charge/décharge. L'apparition de fissures dans l'électrode LiFePO4 durant ces cycles entraîne une augmentation de la polarisation de l'électrode et une diminution de la conductivité entre le matériau actif et l'agent conducteur ou collecteur de courant. Le grossissement des nanoparticules de LiFePO4 et les dépôts de surface, résultant de certaines réactions chimiques, contribuent à l'augmentation de l'impédance de l'électrode positive LiFePO4. Par ailleurs, la perte de matériau actif en graphite, induisant une réduction de la surface active, et le décollement des couches d'électrode en graphite sont également considérés comme des facteurs de vieillissement de la batterie. L'instabilité de l'électrode négative en graphite entraîne l'instabilité du film SEI et favorise la consommation d'ions lithium actifs.
La décharge rapide de la batterie peut fournir une puissance importante aux véhicules électriques ; autrement dit, plus les performances de la batterie sont élevées, meilleures sont les performances d'accélération du véhicule électrique. À mesure que le taux de décharge augmente, la perte de capacité de l'électrode positive augmente davantage que celle de l'électrode négative. La perte de capacité de la batterie lors des cycles à faible taux de décharge est principalement due à la consommation d'ions lithium actifs au niveau de l'électrode négative, tandis que la perte de puissance de la batterie lors des cycles à taux de décharge élevé est due à l'augmentation de l'impédance de l'électrode positive.
Bien que la profondeur de décharge lors de l'utilisation de batteries de puissance n'affecte pas la perte de capacité, elle influe sur la perte de puissance. Des limites supérieures de tension de charge trop basses ou trop élevées augmentent l'impédance interfaciale de l'électrode LiFePO4 : le film de passivation ne peut se former correctement à de faibles limites supérieures de tension, tandis que des limites supérieures de tension trop élevées entraînent une décomposition oxydative de l'électrolyte, formant des produits à faible conductivité à la surface de l'électrode LiFePO4.
La capacité de décharge des batteries LiFePO4 diminue rapidement avec la température, principalement en raison de la baisse de la conductivité ionique et de l'augmentation de l'impédance interfaciale. Les principaux facteurs limitant les performances à basse température des électrodes positive et négative diffèrent. La réduction de la conductivité ionique de l'électrode positive LiFePO4 est prédominante, tandis que l'augmentation de l'impédance interfaciale de l'électrode négative en graphite est la principale cause.
Lors de l'utilisation, la dégradation de l'électrode LiFePO4 et de l'électrode négative en graphite, ainsi que la croissance continue du film SEI, entraînent des défaillances de la batterie à des degrés divers ; de plus, outre les facteurs incontrôlables tels que l'état de la route et la température ambiante, le bon fonctionnement de la batterie est également primordial, notamment en ce qui concerne la tension de charge appropriée, la profondeur de décharge appropriée, etc.

IV, défaillance lors de la charge et de la décharge
Lors de son utilisation, la batterie est souvent inévitablement surchargée, et relativement rarement déchargée excessivement. La chaleur dégagée lors de ces surcharges ou décharges excessives s'accumule facilement à l'intérieur de la batterie, ce qui augmente sa température, réduit sa durée de vie et accroît le risque d'incendie ou d'explosion.
Bien que le LiFePO4 présente la meilleure stabilité thermique par rapport aux autres matériaux d'électrode positive dans différentes conditions de charge, la surcharge peut également engendrer des dangers cachés lors de l'utilisation de batteries LiFePO4.
L'une des principales causes de défaillance des batteries en cas de surcharge est le court-circuit interne provoqué par la perforation du diaphragme par des dendrites de lithium. L'apparition de ces dendrites et d'un film superficiel sur l'électrode négative en graphite, ainsi que la réaction entre le lithium et l'électrolyte, entraînent une augmentation continue de l'épaisseur de ce film. Ce dernier consomme davantage de lithium actif et entrave sa diffusion vers l'électrode négative, favorisant ainsi le dépôt de lithium sur cette dernière. Il en résulte une réduction supplémentaire de la capacité et de l'efficacité coulombique.
De plus, les impuretés métalliques sont généralement considérées comme l'une des principales causes de la surcharge des batteries. Théoriquement, une réaction d'oxydoréduction du fer est possible lors des cycles de surcharge/décharge. Des dendrites de fer se forment alors aux électrodes positive et négative, percent la membrane pour former des ponts de fer et provoquent des micro-courts-circuits dans la batterie. Le phénomène évident accompagnant ces micro-courts-circuits est l'augmentation continue de la température après la surcharge.
Lors d'une décharge excessive, le potentiel de l'électrode négative augmente rapidement, ce qui provoque la destruction du film SEI à sa surface (la partie du film riche en composés inorganiques s'oxydant plus facilement). Il en résulte une décomposition supplémentaire de l'électrolyte et, par conséquent, une perte de capacité. Plus important encore, le collecteur de courant en cuivre de l'électrode négative s'oxyde, ce qui augmente la résistance interne de la batterie et contribue à sa perte de capacité.
Lors d'une décharge excessive, la feuille de cuivre du collecteur de courant de l'électrode négative peut s'oxyder en Cu+, puis en Cu2+. Ces ions diffusent ensuite vers l'électrode positive et peuvent y subir une réaction de réduction. Il se forme alors des dendrites de cuivre du côté de l'électrode positive, qui percent la membrane et provoquent des micro-courts-circuits à l'intérieur de la batterie. De plus, la température de la batterie continue d'augmenter en raison de la décharge excessive.
La surcharge des batteries LiFePO4 peut provoquer une décomposition par oxydation de l'électrolyte, une précipitation du lithium et la formation de dendrites de fer ; tandis que la décharge excessive peut entraîner la destruction de l'interface électrolyte solide (SEI), ce qui provoque une diminution de la capacité, l'oxydation de la feuille de cuivre et même la formation de dendrites de cuivre.
V. Autres défaillances
En raison de la faible conductivité intrinsèque du LiFePO4, la morphologie et la taille du matériau lui-même, ainsi que l'influence des agents conducteurs et des liants, se manifestent facilement.
Les électrodes LiFePO4 à grosses particules ne permettent pas d'éliminer complètement le lithium en fin de charge ; les électrodes LiFePO4 nanostructurées réduisent les défauts d'antisite, mais leur énergie de surface élevée entraîne une autodécharge. Par ailleurs, le collecteur de courant, la membrane, la composition de l'électrolyte, le procédé de fabrication, les facteurs humains, les vibrations et les chocs externes influent plus ou moins sur les performances de la batterie.