Actualmente, diversas compañías automovilísticas utilizan baterías de litio a gran escala en sus sistemas de alimentación, y la densidad energética es cada vez mayor. Sin embargo, persisten las dudas sobre la seguridad de estas baterías, lo cual no representa una solución eficaz. El sobrecalentamiento es el principal objeto de investigación en materia de seguridad de las baterías y merece especial atención.
En primer lugar, entendamos qué es el desbordamiento térmico. El desbordamiento térmico es un fenómeno de reacción en cadena desencadenado por diversos factores, que provoca la emisión de una gran cantidad de calor y gases nocivos por parte de la batería en un corto período de tiempo, lo que incluso puede causar que la batería se incendie y explote en casos graves. Existen muchas razones para que se produzca un desbordamiento térmico, como el sobrecalentamiento, la sobrecarga, el cortocircuito interno, las colisiones, etc. El desbordamiento térmico de la batería suele comenzar con la descomposición de la película SEI negativa en la celda de la batería, seguida de la descomposición y fusión del diafragma, lo que afecta al electrodo negativo y al electrolito, seguido de la descomposición tanto del electrodo positivo como del electrolito, lo que desencadena un cortocircuito interno a gran escala, provocando la combustión del electrolito, que luego se propaga a otras celdas, causando un grave desbordamiento térmico y permitiendo que todo el paquete de baterías produzca combustión espontánea.
Las causas del sobrecalentamiento se pueden dividir en internas y externas. Las causas internas suelen deberse a cortocircuitos internos; las externas, a daños mecánicos, eléctricos o térmicos, entre otros.
Un cortocircuito interno, que consiste en un contacto directo entre los terminales positivo y negativo de la batería, varía considerablemente en cuanto al grado de contacto y la reacción que desencadena. Generalmente, un cortocircuito interno masivo causado por un maltrato mecánico o térmico provoca directamente una fuga térmica. En cambio, los cortocircuitos internos que se producen de forma espontánea son relativamente menores y el calor que generan es tan pequeño que no provocan inmediatamente una fuga térmica. El desarrollo espontáneo de estos cortocircuitos suele incluir defectos de fabricación, deterioro de diversas propiedades debido al envejecimiento de la batería, como el aumento de la resistencia interna, depósitos de litio metálico causados por un uso inadecuado prolongado, etc. Con el paso del tiempo, el riesgo de un cortocircuito interno causado por estos factores internos aumenta gradualmente.
El abuso mecánico se refiere a la deformación del monómero y el paquete de baterías de litio bajo la acción de una fuerza externa, así como al desplazamiento relativo de sus diferentes partes. Las principales formas de daño a la celda eléctrica incluyen colisiones, extrusiones y perforaciones. Por ejemplo, un objeto extraño golpeado por un vehículo a alta velocidad puede provocar directamente el colapso del diafragma interno de la batería, lo que a su vez causa un cortocircuito y desencadena una combustión espontánea en poco tiempo.
El abuso eléctrico de las baterías de litio generalmente incluye cortocircuitos externos, sobrecarga y sobredescarga, entre otras formas, que tienen más probabilidades de derivar en un embalamiento térmico. Un cortocircuito externo ocurre cuando dos conductores con presión diferencial se conectan fuera de la celda. Los cortocircuitos externos en los paquetes de baterías pueden deberse a deformaciones causadas por colisiones de vehículos, inmersión en agua, contaminación de conductores o descargas eléctricas durante el mantenimiento. Por lo general, el calor liberado por un cortocircuito externo no calienta la batería como lo hace una perforación. El vínculo importante entre un cortocircuito externo y el embalamiento térmico es que la temperatura alcance el punto de sobrecalentamiento. Es cuando el calor generado por el cortocircuito externo no se puede disipar adecuadamente que la temperatura de la batería aumenta y la alta temperatura desencadena el embalamiento térmico. Por lo tanto, cortar la corriente del cortocircuito o disipar el exceso de calor son formas de evitar que el cortocircuito externo produzca daños mayores. La sobrecarga, debido a su alto contenido energético, es uno de los mayores riesgos del abuso eléctrico. La generación de calor y gases son dos características comunes del proceso de sobrecarga. La generación de calor proviene del calor óhmico y de reacciones secundarias. En primer lugar, debido a la excesiva incrustación de litio, crecen dendritas de litio en la superficie del ánodo.
Medidas de protección contra el sobrecalentamiento:
En la etapa de calor autogenerado para inhibir el desboque térmico del núcleo, tenemos dos opciones: una es mejorar y actualizar el material del núcleo, la esencia del desboque térmico reside principalmente en la estabilidad de los materiales de los electrodos positivo y negativo y el electrolito. En el futuro, también necesitamos hacer mayores avances en el recubrimiento del material del cátodo, modificación, compatibilidad del electrolito homogéneo y el electrodo, y mejorar la conductividad térmica del núcleo. O bien, elegir el electrolito con alta seguridad para que actúe como retardante de llama. En segundo lugar, es necesario adoptar soluciones eficientes de gestión térmica (Calentador de refrigerante PTC/ Calentador de aire PTC) desde el exterior para suprimir el aumento de temperatura de la batería de iones de litio, para asegurar que la película SEI de la celda no alcance la temperatura de disolución y, naturalmente, no se produzca un desbordamiento térmico.
Fecha de publicación: 17 de marzo de 2023
