La fuga térmica es una preocupación crítica en la tecnología de baterías, especialmente en las baterías de iones de litio comúnmente utilizadas en diversas aplicaciones, desde electrónica de consumo hasta vehículos eléctricos. Comprender los riesgos asociados con la fuga térmica es esencial para garantizar la seguridad y mitigar los peligros potenciales. Es por eso que vamos a analizar más de cerca el riesgo de fuga térmica en las baterías.
¿Qué es la fuga térmica de la batería de litio?
Definición y proceso de reacción en cadena
La fuga térmica de las baterías de iones de litio es un complejo fenómeno de reacción en cadena con consecuencias potencialmente catastróficas. Esta fuga suele comenzar con la rotura de la membrana de interfase electrolítica sólida (ISE) dentro del electrodo negativo de la celda de la batería. Esta rotura puede deberse a factores como sobrecarga, daños físicos o defectos de fabricación.
Fase de avería inicial
Una vez que la membrana SEI se rompe, el separador dentro de la celda de la batería comienza a descomponerse y fundirse. Esta ruptura compromete la integridad estructural de la celda y facilita la propagación de reacciones entre el electrodo y el electrolito. A medida que el electrodo negativo interactúa con el electrolito, desencadena nuevas reacciones de descomposición, lo que provoca la liberación de calor y gases.
Escalada y propagación
Este proceso puede intensificarse rápidamente y extenderse al electrodo positivo, exacerbando el fenómeno de desbordamiento térmico. La descomposición y la rotura generalizadas dentro de la celda de la batería pueden provocar cortocircuitos internos, lo que provoca un calentamiento localizado y acelera aún más la reacción en cadena. Finalmente, el electrolito se inflama, provocando una combustión intensa y la emisión de calor y gases nocivos.
Perspectiva de liberación de energía
Las baterías de litio se visualizan como esferas de energía cerradas. Estas pequeñas baterías existen como agentes reductores y oxidantes, lo que les permite experimentar una carga y descarga lentas o una combustión vigorosa.
El descontrol térmico en baterías de iones de litio denota una reacción en cadena provocada por varios factores, generando calor que eleva la temperatura del descontrol térmico de la batería de iones de litio a más de mil grados Celsius, encendiendo intensamente las baterías de litio y emitiendo una cantidad significativa de calor y gases nocivos en un corto período.
Magnitud de la liberación de energía
Por lo tanto, cuando las baterías de iones de litio experimentan una fuga térmica, la energía liberada por todo el paquete de baterías es asombrosa. Un paquete de baterías compuesto por 100 celdas con una capacidad de carga de 100 Ah tiene una energía desbocada de 240,000,000 J, lo que equivale a unos 57 kilogramos de TNT. Aunque los científicos e ingenieros continúan mejorando el diseño, mejorando el algoritmo y luego mejorando efectivamente la seguridad de los paquetes de baterías de iones de litio para automóviles, en la vida real escucharemos de vez en cuando que algunos autos eléctricos y teléfonos celulares estallan en llamas.
¿Qué causa la fuga térmica en las baterías?
- SobrecargaLa batería cuenta con protección contra sobrecarga, pero si esta falla y la batería continúa cargándose, se producirá una sobrecarga, lo que provocará una fuga térmica. Con el uso, la batería se deteriora y su consistencia se agrava. En este punto, si la batería se sobrecarga, es muy susceptible a problemas de seguridad térmica. Por lo tanto, es fundamental... Siga las instrucciones para una carga segura.
- Calentamiento excesivo: Cuando la batería se descarga a alta velocidad o se encuentra en condiciones extremas, la temperatura interna de la batería aumenta gradualmente. Cuando se acumula una cantidad significativa de calor en la batería, no limitar rápidamente la corriente de descarga puede provocar una fuga térmica de la batería de litio.
- Mecánico: Los impactos, los cortocircuitos internos y otras acciones que dañan la batería pueden provocar una fuga térmica.
El proceso de ocurrencia de descontrol térmico de la batería de litio.
Descripción general de las etapas de fuga térmica
La fuga térmica se divide en tres etapas: la etapa de autocalentamiento (50°C-140°C), la etapa de fuga (140°C-850°C) y la etapa de terminación (850°C-temperatura ambiente). Alguna literatura indica que la temperatura de fusión masiva del separador comienza alrededor de 140°C.
Etapa de autocalentamiento (50 °C-140 °C)
La etapa de autocalentamiento, también conocida como etapa de acumulación de calor, comienza con la disolución de la membrana SEI. La disolución de la membrana SEI se hace evidente cuando la temperatura alcanza alrededor de 90°C. La disolución de la membrana SEI expone el electrodo negativo y los componentes de carbono insertados con litio dentro del electrodo negativo al electrolito, lo que desencadena una reacción exotérmica y eleva así la temperatura. Por el contrario, el aumento de temperatura acelera la descomposición adicional de la membrana SEI. Si no existe un mecanismo de enfriamiento externo, este proceso continuará hasta que la membrana SEI se descomponga por completo.
Etapa de descontrol (140 °C-850 °C)
Durante la etapa de descontrol, las temperaturas superiores a 140 °C desencadenan reacciones electroquímicas en electrodo Materiales. El aumento de masa de los reactivos acelera el aumento de temperatura. Los cambios observables incluyen una caída brusca de voltaje. El separador comienza a fundirse masivamente en este rango de temperatura. Esto provoca un contacto directo entre los electrodos, lo que causa cortocircuitos generalizados.
Fase de reacción intensa
En un corto período, las reacciones intensas generan grandes cantidades de gas y calor. El calor calienta aún más el gas, que se expande y rompe la carcasa de la celda de la batería, lo que provoca fenómenos como la expulsión de material. La fuga alcanza su estado más intenso, alcanzando la temperatura más alta durante esta etapa.
Propagación térmica
Si hay otras celdas de batería cerca, la fuga térmica puede propagarse a ellas transfiriendo calor al entorno. El calor puede conducirse a piezas conductoras o expandirse por volumen. Las celdas de batería que originalmente estaban separadas pueden ahora estar en contacto directo, lo que facilita la transferencia de calor entre sus carcasas.
Etapa de terminación (850 °C - Temperatura ambiente)
En la etapa de terminación, una vez que se produce una fuga térmica, esta solo puede detenerse cuando se hayan consumido todos los reactivos. Un informe del departamento de bomberos indica que, en el caso de dispositivos cerrados que contienen sustancias de alta energía, como baterías de litio, los métodos de extinción de incendios no pueden detener inmediatamente la fuga térmica en curso.
Los agentes extintores no pueden alcanzar eficazmente las sustancias reactivas. Los bomberos se enfrentan a altos riesgos en estas situaciones, con medidas limitadas disponibles. Generalmente, el enfoque consiste en aislar el lugar del accidente. La fuga térmica solo puede detenerse de forma natural una vez que se consumen los reactivos.
¿Cómo prevenir la fuga térmica de iones de litio?
Como podemos ver desde arriba, el énfasis en la fuga térmica radica en la prevención y el seguimiento. Una vez que se produce una fuga térmica, hay poco que hacer para detenerla, como intentar extinguir la explosión de una granada de mano.
Prevención
1. La clave para la fuga térmica reside en la estabilidad de los materiales de los electrodos positivo y negativo, así como del electrolito. En el futuro, se requieren mayores avances en diversas áreas clave, como el recubrimiento y la modificación de los materiales de los electrodos positivos. Es necesario mejorar la compatibilidad homogénea del electrolito con los electrodos. También es necesario mejorar la conductividad térmica del núcleo eléctrico. También es necesario elegir un electrolito de alta seguridad para aprovechar el efecto retardante de llama.
2. Implementar actualizaciones y mejoras del sistema desde una perspectiva externa.
- PTC (Coeficiente de temperatura positivo) dispositivos: La instalación de dispositivos PTC en baterías de iones de litio considera tanto la presión como la temperatura internas. Cuando la temperatura de la batería aumenta debido a una sobrecarga, la resistencia interna de la batería aumenta rápidamente para limitar la corriente, reduciendo así el voltaje entre los electrodos positivo y negativo a un nivel seguro, logrando una protección automática para la batería.
- Válvulas a prueba de explosiones: Cuando la batería experimenta una presión interna anormal, la válvula a prueba de explosiones se deforma, cortando el cable dentro de la batería utilizado para la conexión, deteniendo así la carga.
- Métodos de enfriamiento mejorados: El sistema de gestión térmica es crucial para controlar la temperatura y garantizar que la batería funcione a una temperatura adecuada. Normalmente, el controlador del vehículo controla el sistema de gestión térmica. Cuando la temperatura de la batería se vuelve anormal, el sistema de aire acondicionado proporciona refrigeración o calefacción oportuna para garantizar la seguridad y la longevidad de la batería.
- Aerogel almohadillas de aislamiento térmico de la batería: Los fabricantes instalan almohadillas térmicas de aerogel entre las celdas y los módulos de la batería. Cuando se produce una fuga térmica en una celda, la baja conductividad térmica del aerogel proporciona un aislamiento térmico que retrasa o bloquea el accidente. Cuando una celda se sobrecalienta y se quema, las almohadillas térmicas de aerogel alcanzan un rendimiento incombustible de Clase A para bloquear o ralentizar eficazmente la propagación del incendio. Este diseño garantiza que la batería no se queme ni explote en 5 minutos, lo que proporciona suficiente tiempo de escape.
Diseñado para la estabilidad térmica, CMB baterías mantenga una tasa de descarga de 1C incluso a temperaturas de hasta 85°C, gracias al diseño innovador y a los electrolitos de alta temperatura que garantizan longevidad y rendimiento. CMB proporciona profesional batería de alta temperatura empaquetan soluciones para equipos médicos, exploración petrolera e IoT, reduciendo la probabilidad de fuga térmica al 0.01%.
Monitoring
1. Monitoreo temprano y intermedio
- Tecnología de alerta temprana de fuga térmica en tiempo real monitoreada por BMS
Actualmente, la solución más sencilla es usar BMS para monitorear la temperatura, el voltaje y otros parámetros operativos y detectar las primeras señales de fuga térmica. Para mejorar la capacidad de detección de fallas, los ingenieros pueden usar o desarrollar sistemas de mayor precisión y confiabilidad. sensores de temperatura y sensores de voltaje. Al mismo tiempo, los desarrolladores pueden construir modelos de estimación de parámetros de estado más precisos y efectivos mediante algoritmos para detectar con mayor antelación el uso indebido y las anomalías. La inteligencia artificial puede desempeñar un papel importante en este proceso. Sin embargo, las soluciones BMS también presentan problemas: la monitorización externa de parámetros no puede proporcionar una simulación completa y precisa, ni reflejar con precisión los cambios electroquímicos internos, lo que impide que los BMS modernos evalúen exhaustivamente el riesgo potencial de fuga térmica de las celdas de la batería.
- Tecnología de alerta temprana de fuga térmica basada en la predicción del estado interno
El control externo es difícil de lograr por completo. Por lo tanto, los investigadores comienzan desde dentro. La investigación actual se centra en la detección en tiempo real de la temperatura e impedancia de la batería interna. Los métodos incluyen sensores de fibra óptica Bragg plegables integrados o el análisis de la respuesta en frecuencia de un analizador de impedancia electroquímica. Estos enfoques aún se encuentran en fase de laboratorio debido a limitaciones técnicas y de costo.
- Tecnología de alerta temprana para fugas térmicas basada en la detección de gases
En las primeras etapas de la fuga térmica de las baterías de iones de litio, los parámetros de identificación característicos cambian muy lentamente. Estos parámetros incluyen la temperatura, la tensión y la corriente de descarga de la batería. Debido a estos cambios graduales, los sistemas BMS convencionales no pueden detectar fallas en la batería de forma temprana. En este momento, se produce una gran cantidad de gas debido a las reacciones electroquímicas internas de la batería. Por lo tanto, es viable el uso de sensores de detección de gases para detectar con antelación la fuga térmica de las baterías de iones de litio. Actualmente, algunas empresas han desarrollado productos relevantes que combinan la detección de gases con la protección contra incendios.
2. Monitoreo de última etapa
El separador de celdas de la batería comienza a disolverse masivamente. Esto provoca cortocircuitos internos generalizados en la batería. A continuación, se produce una caída brusca del voltaje debido a los cortocircuitos masivos entre los electrodos positivo y negativo. En este punto, la fuga térmica es completamente incontrolable.
Durante este proceso aparece un parámetro eléctrico detectable, el voltaje del terminal de la celda de la batería. Los sistemas BMS actuales solo pueden recopilar con precisión datos de voltaje para cada módulo en serie (cada módulo contiene varias celdas conectadas en paralelo). Este fenómeno permite al sistema de gestión detectar un fallo en la celda de la batería.
Sin embargo, la caída de tensión que se detecta con el tiempo, ya es un momento irreversible de fuga térmica. La señal que desencadena las medidas de refrigeración pierde su significado.
Lo que podemos hacer es considerar estrategias para retrasar la propagación de la fuga térmica durante el proceso de diseño e implementación del producto. En realidad, la fuga térmica se produce extremadamente rápido y puede causar daños devastadores en un corto período. Por lo tanto, es esencial retrasar o suprimir los riesgos de fuga térmica para proporcionar tiempo suficiente para escapar después de que ocurra un accidente.
CMB ingenieros han estudiado la fuga térmica de los paquetes de baterías de litio durante décadas. Podemos diseñar BMS para diferentes aplicaciones, monitorear la temperatura, el voltaje de descarga y la corriente de descarga de la batería, detener la batería y hacer sonar una alarma antes de una fuga térmica. Si buscas una batería de litio 100% segura para tu dispositivo, haga clic aquí para obtener ayuda de CMB ingenieros!
Conclusión
Una vez que se produce una fuga térmica en un paquete de baterías de litio, es como una flecha disparada que no se puede recuperar. Actualmente, la industria ha comprendido a grandes rasgos los mecanismos detrás de la fuga térmica. Las investigaciones futuras se centrarán más en la seguridad de las baterías, la gestión térmica, la predicción temprana y la advertencia de fugas térmicas y los impedimentos para la notificación y comunicación en las últimas etapas. Con la exploración continua por parte de expertos de la industria, se cree que en breve se lograrán soluciones integrales para la fuga térmica de las baterías. En ese momento, las personas podían conducir vehículos eléctricos con mayor tranquilidad y utilizar productos de almacenamiento de energía a gran escala, disfrutando con confianza de un nuevo estilo de vida impulsado por energía limpia.
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