La cause première de la production de gaz dans les batteries lithium-ion est essentiellement le résultat d'une série de réactions secondaires chimiques et électrochimiques indésirables au sein de la batterie. Ces réactions consomment les composants actifs de la batterie, perturbent la stabilité de la structure interne et génèrent des produits gazeux. Cela entraîne non seulement des problèmes de dégradation des performances, tels qu'un gonflement de la batterie, une diminution de la capacité et une durée de vie raccourcie, mais dans les cas graves, cela peut également entraîner des risques pour la sécurité, tels qu'une fuite de la batterie, un incendie et même une explosion. Basée sur la structure interne et le principe de fonctionnement des batteries lithium-ion, la production de gaz provient principalement des cinq aspects fondamentaux suivants, chacun interconnecté et induisant et exacerbant souvent mutuellement le phénomène de production de gaz.
Premièrement, la décomposition de l'électrolyte
L'électrolyte, en tant que milieu central pour le transport des ions dans une batterie lithium-ion, est composé de solvants organiques, de sels de lithium et d'additifs. Sa stabilité affecte directement la sécurité de la batterie. Dans des environnements à haute température (au-dessus de 60 degrés) ou lorsqu'une tension inappropriée est utilisée (telle qu'une surcharge ou une tension de charge dépassant la plage de sécurité), les solvants organiques contenus dans l'électrolyte subissent des réactions d'oxydation ou de réduction et se décomposent, décomposant la structure moléculaire d'origine. Ce processus génère divers gaz, principalement du dioxyde de carbone (CO₂), du monoxyde de carbone (CO), du méthane (CH₄) et de l'éthylène (C₂H₄). Parmi ceux-ci, le CO et d’autres gaz sont toxiques, augmentant encore les risques pour la sécurité.
Deuxièmement, il y a les dégâts et la reconstruction du film SEI.
Le film SEI (interface à électrolyte solide) sur la surface de l'électrode négative est un film protecteur qui se forme naturellement lors de la première charge et décharge d'une batterie au lithium. Il empêche l'électrolyte de réagir directement avec le matériau de l'électrode négative, garantissant ainsi un fonctionnement normal de la batterie. Cependant, lorsque la batterie est soumise à une surcharge, une décharge excessive, des températures élevées ou de fortes vibrations, le film SEI peut se rompre. À ce moment, l'électrolyte réagira à nouveau avec le matériau de l'électrode négative, tentant de réparer le film SEI endommagé. Ce processus répété de dommages et de réparation génère en permanence des gaz, notamment de l'hydrogène (H₂), de l'éthylène (C₂H₄) et de l'éthane (C₂H₆). Au fil du temps, cela peut conduire le film SEI à perdre sa fonction protectrice.
Troisièmement, il y a une teneur en humidité excessive
Les batteries au lithium-ion ont des exigences extrêmement élevées en matière de teneur en humidité interne. Même des quantités infimes d'eau (niveau en ppm, c'est-à-dire une partie par million) peuvent déclencher de graves réactions secondaires. L'humidité réagit avec le sel de lithium central présent dans l'électrolyte (tel que l'hexafluorophosphate de lithium LiPF₆) pour produire de l'acide fluorhydrique (HF) hautement corrosif. Le HF endommage non seulement le film SEI, mais déclenche également une réaction en chaîne de réactions secondaires, notamment la décomposition de l'électrolyte et la corrosion du matériau de l'électrode, produisant des gaz tels que l'hydrogène (H₂), le fluorure d'hydrogène (HF), le monoxyde de carbone (CO) et le dioxyde de carbone (CO₂), tout en corrodant simultanément les composants internes de la batterie.
Quatrièmement, il existe des réactions secondaires liées au matériau de la cathode
Le matériau cathodique est crucial pour le stockage et la libération d'énergie des batteries lithium-ion, en particulier les matériaux cathodiques ternaires à haute teneur en-nickel, qui ont une stabilité structurelle relativement faible. En cas de surcharge ou de températures élevées-, la structure cristalline du matériau cathodique s'effondre, libérant de l'oxygène. Cet oxygène réagit violemment avec l'électrolyte, intensifiant encore la décomposition de l'électrolyte et produisant de grandes quantités de gaz, principalement de l'oxygène (O₂) et du dioxyde de carbone (CO₂). L'oxygène accélère les réactions de combustion, augmentant ainsi le risque d'incendie de la batterie.
Cinquièmement, réactions secondaires du matériau de l'anode
Différents matériaux d'anode présentent différentes caractéristiques de génération de gaz. Les matériaux d'anode les plus récents, tels que les anodes en silicium, subissent des changements de volume importants pendant la charge et la décharge (les taux d'expansion peuvent dépasser 300 %). Cette expansion et contraction répétées du volume endommage continuellement le film SEI, entraînant des réactions secondaires continues et une génération continue de gaz. Les anodes en graphite traditionnelles, dans des conditions de décharge excessive ou de température élevée, réagissent également avec l'électrolyte pour générer des gaz tels que l'hydrogène (H₂), l'éthylène (C₂H₄) et l'éthane (C₂H₆), affectant les performances et la sécurité de la batterie.
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