Mécanismes de corrosion, modes de défaillance et stratégies de protection systématique pour les batteries au lithium-ion-à boîtier en aluminium-

La corrosion des boîtiers de batterie en aluminium est principalement classée en deux types : la corrosion externe et la corrosion interne. La corrosion externe provient de l'exposition de la batterie à des substances corrosives-telles que des acides et des alcalis (par exemple, l'eau de pluie ou des produits de nettoyage)-pendant le stockage ou le fonctionnement, qui érodent directement la surface du boîtier en aluminium. La corrosion interne, à l’inverse, est plus insidieuse et potentiellement plus dangereuse ; sa cause fondamentale réside dans l’intercalation du lithium dans la structure de l’aluminium dans des conditions électrochimiques spécifiques. Lorsque le potentiel du boîtier en aluminium chute entre 0,2 et 0,4 V (vs Li/Li⁺), les ions Li⁺ s'intercalent dans le réseau cristallin d'aluminium pour former des alliages intermétalliques tels que LiAl et Li₃Al₂.

Ce processus induit une expansion et une fissuration du réseau, provoquant finalement la pulvérisation de l'aluminium, la perte de son éclat métallique et la formation d'une couche de corrosion poreuse. Ce processus de dégradation est généralement déclenché par un court-circuit accidentel entre l'électrode négative et le boîtier en aluminium.

Pour qu’une corrosion interne se produise, trois conditions doivent être simultanément remplies : la présence d’une voie électronique, d’une voie ionique et d’un potentiel corrosif. Parmi ceux-ci, la voie ionique (fournie par l’électrolyte) est inévitable ; par conséquent, bloquer le chemin des électrons et contrôler la différence de potentiel constituent les stratégies fondamentales de prévention de la corrosion. Dans les conceptions standard, le boîtier en aluminium d'une cellule de batterie prismatique assure une isolation électrique complète entre l'électrode négative et le boîtier grâce à l'utilisation de matériaux isolants (tels que des films isolants ou des joints de couvercle supérieur-).

Cependant, si l'électrode négative entre en contact avec la paroi interne du boîtier-que ce soit en raison de défauts de fabrication (par exemple, languettes d'électrode trop longues, adhésifs isolants déplacés ou mauvaise encapsulation de l'enroulement) ou de dommages mécaniques externes-la tension entre l'électrode négative et le boîtier approchera de 0 V, créant ainsi les conditions nécessaires à la corrosion par intercalation du lithium-. Des études expérimentales ont démontré qu'après plusieurs cycles de charge-décharge, ces batteries compromises présentent fréquemment des perforations et des fuites d'électrolyte à proximité de la valve antidéflagrante-.

De plus, les courts-circuits externes présentent un risque tout aussi important. Si la surface extérieure du boîtier de la batterie établit un chemin conducteur vers la borne négative-en raison d'un électrolyte résiduel ou d'un contact avec des objets métalliques externes (tels que des appareils de test ou des fils)-, cela peut également abaisser la tension du boîtier dans la plage de potentiel corrosif. La recherche indique que les batteries avec une tension initiale de boîtier de 1 à 2 V, lorsqu'elles sont soumises à des cycles de charge-décharge après l'établissement d'un court-circuit artificiel avec la borne négative, présentent rapidement des signes de corrosion du boîtier en aluminium. Au niveau du pack de batteries (PACK), si les boîtiers en aluminium des cellules individuelles adjacentes entrent en contact électrique, cela modifie la distribution de potentiel sur l'ensemble du circuit série. Cela peut entraîner une chute anormalement basse de la tension du boîtier de cellules individuelles spécifiques -ou même devenir négative-déclenchant ainsi une corrosion localisée. Par exemple, dans une batterie à trois -cellules, un court-circuit entre les boîtiers en aluminium de la première et de la dernière cellule peut faire chuter la tension du boîtier de la cellule terminale à -1,5 V, accélérant ainsi sa défaillance.

Les facteurs environnementaux ne doivent pas non plus être négligés. Si une batterie à boîtier en aluminium-conçue pour les véhicules à énergies nouvelles est immergée dans de l'eau faiblement acide (pH ≈ 5), la tension du boîtier reste difficile à récupérer complètement, même après séchage. Si les cycles de charge et de décharge se poursuivent dans cet état compromis, le taux de corrosion s'accélère considérablement. Cela se produit parce que la présence d’humidité introduit des voies ioniques supplémentaires, tandis que les ions d’impuretés catalysent les réactions électrochimiques. Plus important encore, dans des conditions de faible tension du boîtier, le lithium métallique peut se déposer directement sur la surface du boîtier en aluminium, exacerbant encore la corrosion des alliages.

L’impact de la corrosion sur les performances de la batterie présente un effet retardé. Au cours de la phase initiale (par exemple, les 400 premiers cycles), la rétention de capacité de la batterie rechargeable à boîtier en aluminium - semble impossible à distinguer de celle d'une unité normale non corrodée ; cependant, à mesure que le cyclage progresse, le lithium actif est continuellement consommé dans les réactions de lithiation se produisant au niveau du boîtier en aluminium, entraînant une perte irréversible de matière active au niveau de la cathode. Après 1 500 cycles, la capacité de rétention d'une batterie corrodée peut chuter de 88 % à 60 %. En termes de performances de débit, aucune différence significative n'est observée lors de débits de décharge inférieurs à 5C ; cependant, à des taux de décharge élevés dépassant 10 °C, la résistance interne de la batterie corrodée augmente, entraînant une détérioration marquée des performances.