Seguridad de la batería de litio

Las baterías de litio tienen las ventajas de la portabilidad y la carga rápida, entonces, ¿por qué las baterías de plomo-ácido y otras baterías secundarias siguen circulando en el mercado?
Además de los problemas de costo y diferentes campos de aplicación, otra razón es la seguridad.
El litio es el metal más activo del mundo.Debido a que sus características químicas son demasiado activas, cuando el litio metálico se expone al aire, tendrá una feroz reacción de oxidación con el oxígeno, por lo que es propenso a explosiones, combustión y otros fenómenos.Además, la reacción redox también ocurrirá dentro de la batería de litio durante la carga y descarga.La explosión y la combustión espontánea son causadas principalmente por la acumulación, difusión y liberación de la batería de litio después del calentamiento.En resumen, las baterías de litio generarán mucho calor durante el proceso de carga y descarga, lo que provocará un aumento de la temperatura interna de la batería y una temperatura desigual entre las baterías individuales, lo que provocará un rendimiento inestable de la batería.
Es probable que los comportamientos inseguros de la batería de iones de litio con fuga térmica (incluida la sobrecarga y la descarga excesiva de la batería, la carga y descarga rápidas, el cortocircuito, las condiciones de abuso mecánico, el choque térmico a alta temperatura, etc.) desencadenen reacciones secundarias peligrosas dentro de la batería y generen calor, dañando directamente la película pasiva en el electrodo negativo y la superficie del electrodo positivo.
Hay muchas razones para desencadenar accidentes térmicos fuera de control de las baterías de iones de litio.Según las características del disparo, se puede dividir en disparo por abuso mecánico, disparo por abuso eléctrico y disparo por abuso térmico.Abuso mecánico: se refiere a la acupuntura, la extrusión y el impacto de objetos pesados ​​causados ​​​​por la colisión de un vehículo;Abuso eléctrico: generalmente causado por un manejo inadecuado del voltaje o fallas en los componentes eléctricos, incluidos cortocircuitos, sobrecargas y sobredescargas;Abuso de calor: causado por el sobrecalentamiento provocado por una gestión inadecuada de la temperatura.

Estos tres métodos de activación están interrelacionados.El abuso mecánico generalmente causará la deformación o ruptura del diafragma de la batería, lo que provocará un contacto directo entre los polos positivo y negativo de la batería y un cortocircuito, lo que provocará un abuso eléctrico;Sin embargo, en condiciones de abuso de electricidad, la generación de calor, como el calor Joule, aumenta, lo que hace que aumente la temperatura de la batería, lo que se convierte en abuso de calor, lo que desencadena aún más la reacción lateral de generación de calor de tipo cadena dentro de la batería y, finalmente, conduce a la ocurrencia de la fuga de calor de la batería.
El desbocamiento térmico de la batería es causado por el hecho de que la tasa de generación de calor de la batería es mucho más alta que la tasa de disipación de calor, y el calor se acumula en gran cantidad pero no se disipa a tiempo.En esencia, el "descontrol térmico" es un proceso de ciclo de retroalimentación de energía positiva: la temperatura en aumento hará que el sistema se caliente y la temperatura aumentará después de que el sistema se caliente, lo que a su vez hará que el sistema se caliente más.
El proceso de fuga térmica: cuando la temperatura interna de la batería aumenta, la película SEI en la superficie de la película SEI se descompone a alta temperatura, el ion de litio incrustado en el grafito reaccionará con el electrolito y el aglutinante, elevando aún más la temperatura de la batería a 150 ℃, y se producirá una nueva reacción exotérmica violenta a esta temperatura.Cuando la temperatura de la batería supera los 200 ℃, el material del cátodo se descompone y libera una gran cantidad de calor y gas, y la batería comienza a hincharse y se calienta continuamente.El ánodo incrustado de litio comenzó a reaccionar con el electrolito a 250-350 ℃.El material del cátodo cargado comienza a sufrir una violenta reacción de descomposición y el electrolito sufre una violenta reacción de oxidación, liberando una gran cantidad de calor, generando altas temperaturas y una gran cantidad de gas, lo que provoca la combustión y explosión de la batería.
El problema de la precipitación de dendritas de litio durante la sobrecarga: después de que la batería de cobalato de litio está completamente cargada, una gran cantidad de iones de litio permanecen en el electrodo positivo.Es decir, el cátodo no puede contener más iones de litio adheridos al cátodo, pero en el estado sobrecargado, el exceso de iones de litio en el cátodo seguirá nadando hacia el cátodo.Debido a que no pueden contenerse por completo, se formará litio metálico en el cátodo.Dado que este metal litio es un cristal dendrítico, se llama dendrita.Si la dendrita es demasiado larga, es fácil perforar el diafragma y provocar un cortocircuito interno.Como el componente principal del electrolito es el carbonato, su punto de ignición y punto de ebullición son bajos, por lo que se quemará o incluso explotará a altas temperaturas.

Si se trata de una batería de polímero de litio, el electrolito es coloidal, que es propenso a una combustión más violenta.Para resolver este problema, los científicos intentan reemplazar materiales catódicos más seguros.El material de la batería de manganato de litio tiene ciertas ventajas.Puede garantizar que el ion de litio del electrodo positivo se incruste completamente en el orificio de carbono del electrodo negativo en estado de carga completa, en lugar de tener ciertos residuos en el electrodo positivo como el cobalato de litio, que en cierta medida evita la generación de dendritasLa estructura estable del manganato de litio hace que su rendimiento de oxidación sea mucho más bajo que el del cobalato de litio.Incluso si hay un cortocircuito externo (en lugar de un cortocircuito interno), básicamente puede evitar la combustión y la explosión causadas por la precipitación de metal de litio.El fosfato de hierro y litio tiene una mayor estabilidad térmica y una menor capacidad de oxidación del electrolito, por lo que tiene una alta seguridad.
La atenuación por envejecimiento de la batería de iones de litio se manifiesta por la atenuación de la capacidad y el aumento de la resistencia interna, y su mecanismo de atenuación por envejecimiento interno incluye la pérdida de materiales activos positivos y negativos y la pérdida de iones de litio disponibles.Cuando el material del cátodo envejece y se descompone, y la capacidad del cátodo es insuficiente, es más probable que ocurra el riesgo de que se desprenda litio del cátodo.En condiciones de sobredescarga, el potencial del cátodo a litio aumentará por encima de 3 V, que es más alto que el potencial de disolución del cobre, lo que provoca la disolución del colector de cobre.Los iones de cobre disueltos se precipitarán en la superficie del cátodo y formarán dendritas de cobre.Las dendritas de cobre atravesarán el diafragma y provocarán un cortocircuito interno, lo que afectará seriamente el rendimiento de seguridad de la batería.
Además, la resistencia de sobrecarga de las baterías envejecidas disminuirá en cierta medida, principalmente debido al aumento de la resistencia interna y la disminución de las sustancias activas positivas y negativas, lo que resultará en un aumento del calor en julios durante el proceso de sobrecarga de las baterías.Con menos sobrecarga, se pueden desencadenar reacciones secundarias, lo que provoca la fuga térmica de las baterías.En términos de estabilidad térmica, el desprendimiento de litio del cátodo provocará una fuerte disminución de la estabilidad térmica de la batería.
En una palabra, el rendimiento de seguridad de la batería envejecida se reducirá considerablemente, lo que pondrá en grave peligro la seguridad de la batería.La solución más común es equipar el sistema de almacenamiento de energía de la batería con un sistema de gestión de batería (BMS).Por ejemplo, las baterías 8000 18650 utilizadas en Tesla Model S pueden realizar un monitoreo en tiempo real de varios parámetros físicos de la batería, evaluar el estado de uso de la batería y realizar diagnósticos en línea y alertas tempranas a través de su sistema de administración de baterías.Al mismo tiempo, también puede realizar el control de descarga y precarga, la gestión del equilibrio de la batería y la gestión térmica.