Batería de iones de litio con fuga térmica: causas, mecanismo y prevención
Pila de iones de litio con fuga térmica es un problema de seguridad clave en la tecnología moderna de almacenamiento de energía. Comprender el mecanismo de fuga térmica de las baterías de litio y sus medidas preventivas es muy importante para garantizar la seguridad y fiabilidad del sistema de baterías.
En este artículo se explican las causas, el mecanismo y la prevención del desbordamiento térmico de las baterías de iones de litio.
Índice
¿Qué es el desbordamiento térmico en las baterías de iones de litio?
La fuga térmica de la batería de litio se refiere al fenómeno de que la corriente de la batería de litio y el aumento de la temperatura interna se producen un uso acumulativo de refuerzo mutuo, lo que resulta en daños de la batería de litio. El cuerpo principal de la fuga térmica en un sentido estricto se refiere a una sola célula. Atropello térmico generalizado, cuyo objeto se refiere a PACK.
En pocas palabras, el desbocamiento térmico es un proceso de bucle de retroalimentación energética positiva: el aumento de la temperatura provoca el calentamiento del sistema, lo que a su vez provoca el calentamiento del sistema, lo que a su vez hace que el sistema se caliente aún más y, en última instancia, provoca un incendio o una explosión.
¿Qué causa el desbordamiento térmico en las baterías de iones de litio?
Los principales factores que provocan el desbordamiento térmico de las baterías de iones de litio son el cortocircuito externo, la alta temperatura externa y el cortocircuito interno.
Cortocircuito externo
La probabilidad de peligro en la operación real del vehículo es extremadamente baja, una es que el sistema del vehículo está equipado con fusible y sistema de gestión de la batería BMS, y la otra es que la batería puede soportar un corto tiempo de impacto de gran corriente.
Alta temperatura exterior
Debido a las características de la estructura de la batería de iones de litio. A altas temperaturas, SEI película, electrolito, CE y otras reacciones de descomposición se producen, la descomposición del electrolito de la batería de litio también reaccionará con electrodos positivos y negativos, el diafragma de la célula se derretirá y se descomponen, y una variedad de reacciones producirá mucho calor.
La fusión del diafragma provoca una cortocircuito internoy la liberación de energía eléctrica aumenta la producción de calor.
El resultado de este uso destructivo acumulativo y que se refuerza mutuamente es que se rompe la película antideflagrante de la célula de la batería, se expulsa el electrolito y se produce el incendio.
Cortocircuito interno
Debido al uso incorrecto de las baterías de iones de litio o a defectos de calidad de la batería de litio, como los cristales de bifurcación causados por la sobrecarga y la sobredescarga, las impurezas en el polvo del proceso de producción de la batería, etc., se deteriorará el crecimiento y se perforará el diafragma, se producirá un microcortocircuito, la liberación de energía eléctrica provocará un aumento de la temperatura, y la reacción química del material provocada por el aumento de la temperatura ampliará la trayectoria del cortocircuito, formando una corriente de cortocircuito mayor. Se forma una destrucción acumulativa que se refuerza mutuamente, lo que conduce al desbocamiento térmico.
En los casos de incendios causados por desbordamiento térmico de baterías de litio en los últimos años, la mayoría de ellos son causados primero por cortocircuitos internos, y su calor y temperatura forman un entorno externo de alta temperatura para las baterías adyacentes, desencadenando el desbordamiento térmico de las baterías adyacentes, lo que conduce a una reacción en cadena de todo el PACK.
Mecanismo de fuga térmica de una batería de iones de litio
Las pilas de litio son iones de litio incrustados en carbono (coque de petróleo y grafito) para formar un electrodo negativo.
El material del cátodo suele ser LixCoO2, LixNiO2 y LixMnO4, y el electrolito es LiPF6+ carbonato de dietileno (EC)+ carbonato de dimetilo (DMC).
Los principales factores inductores del desbocamiento térmico son los daños mecánicos, sobrecarga de la bateríacortocircuito interno, etc. Bajo la influencia de diversos factores, el material activo dentro de la batería de iones de litio tiene una reacción exotérmica violenta, y la temperatura interna de la batería excede el rango controlable, que en última instancia conduce a la fuga térmica.
La reacción química exotérmica en las baterías de iones de litio comprende la descomposición de la película de interfaz del electrolito sólido SEI, la reacción del material activo negativo y el electrolito, la reacción del material activo negativo y el aglutinante, y la reacción de descomposición por oxidación del electrolito.
¿Cómo evitar el desbordamiento térmico en las baterías de iones de litio?
Las causas del desbordamiento térmico son múltiples. Para la situación de fuga térmica de la batería de litio, la principal solución actual es mejorar desde los dos aspectos de la protección externa y la mejora interna. La protección externa se refiere principalmente a la actualización y mejora del sistema, y la mejora interna consiste en mejorar la propia batería.
Protección exterior
Componentes PTC (coeficiente de temperatura positivo)
Instalar componentes PTC en las baterías de iones de litio, teniendo en cuenta la presión y la temperatura en el interior de la batería, cuando la batería se calienta debido a la sobrecarga, la resistencia interna de la batería aumenta rápidamente para limitar la corriente, de modo que la tensión entre los terminales positivo y negativo se reduce a una tensión segura, y se realiza la función de protección automática de la batería.
Válvula antideflagrante
Cuando la presión interna de la batería de litio es demasiado grande debido a una anomalía, la válvula antideflagrante se deforma, y el cable colocado dentro de la batería para la conexión se corta y el carga de baterías de litio paradas.
Sistema de refrigeración mejorado
El sistema de gestión térmica se encarga principalmente de controlar la temperatura para garantizar que la batería esté siempre a una temperatura de funcionamiento razonable. Normalmente, el sistema de gestión térmica está controlado por el controlador del vehículo. Cuando la temperatura de la batería de litio es anormal, el sistema de aire acondicionado se encarga de disipar el calor o calentarla a tiempo para garantizar la seguridad y la vida útil de la batería.
Lámina aislante de aerogel para baterías
La almohadilla aislante de aerogel puede montarse entre la célula de la batería de potencia y el módulo. Cuando se produce el control térmico de la célula de la batería, el aerogel con baja conductividad térmica puede desempeñar un papel de aislamiento térmico, retrasando o bloqueando el accidente.
Cuando la célula de la batería se sobrecalienta y se quema, la lámina aislante de aerogel alcanza su clase. Un rendimiento incombustible también puede bloquear o retrasar eficazmente la propagación del fuego, y puede garantizar que el paquete de baterías no se queme o explote en 5 minutos, proporcionando tiempo suficiente para escapar.
Mejora interna
Mejorar el sistema de líquido electrolítico
Como la sangre de las baterías de iones de litio, la electrolito de batería de iones de litio determina directamente el rendimiento de la bateríay desempeña un papel importante en la capacidad de la batería, el rango de temperatura de funcionamiento, el rendimiento cíclico y el rendimiento de seguridad.
En la actualidad, los componentes más utilizados en el sistema de líquido electrolítico de las baterías comerciales de iones de litio son el LiPF6, el carbonato de vinilo y el carbonato lineal. Un gran número de disolventes de carbonato con puntos de ebullición bajos y puntos de inflamación bajos en el electrolito se inflamarán a baja temperatura, lo que entraña grandes riesgos para la seguridad.
Por lo tanto, muchos investigadores intentan mejorar el sistema de líquido electrolítico para mejorar el rendimiento de seguridad del electrolito. Si el material principal de la batería no sufre cambios subversivos en poco tiempo, mejorar la estabilidad del electrolito es una forma importante de aumentar la seguridad de la batería.
Material del electrodo positivo
El material del cátodo de la batería de iones de litio es inestable cuando el estado de carga voltaje de la batería de iones de litio es superior a 4V, y es fácil la descomposición térmica a altas temperaturas para liberar oxígeno, y el oxígeno sigue reaccionando con disolventes orgánicos para producir una gran cantidad de calor y otros gases, reduciendo la seguridad de la batería. Por lo tanto, la reacción entre ánodo de batería de iones de litio y el electrolito se considera la causa principal del desbordamiento térmico.
Para los materiales de electrodos positivos, la modificación del revestimiento es un método común para mejorar su seguridad. Tales como MgO, A12O3, SiO2, TiO2, ZnO, SnO2, ZrO2 y otras sustancias en la superficie del material del electrodo positivo, pueden reducir la reacción entre el electrodo positivo y el electrolito después de la eliminación de Li+, al tiempo que reducen la liberación de oxígeno del electrodo positivo, inhiben el cambio de fase del material del electrodo positivo, mejoran su estabilidad estructural, reducen el desorden del catión en la red y reducen el material del electrodo positivo. Esto reduce la generación de calor por reacciones secundarias durante el ciclo.
Separador
En la actualidad, el separador más utilizado en las baterías comerciales de iones de litio siguen siendo los materiales de poliolefina, cuyas principales desventajas son la contracción térmica a altas temperaturas y la escasa humectación del electrolito.
Para superar estos defectos, los investigadores han probado muchos métodos, como encontrar un material termoestable en su lugar, o añadir una pequeña cantidad de polvo de nanopartículas de Al2O3 o SiO2 al diafragma, que no sólo utiliza diafragma ordinario, sino que también mejora la estabilidad térmica del material del electrodo positivo.
Conclusión
La frecuente aparición de accidentes por fuga térmica de las baterías de iones de litio resulta chocante. Para evitar los accidentes de seguridad de las baterías de iones de litio, mejorar la seguridad de las baterías de iones de litio y evitar que se produzcan escapes térmicos, es necesario adoptar un enfoque múltiple desde el diseño de la fórmula de la batería, el diseño estructural y el diseño de la gestión térmica de los paquetes de baterías para mejorar conjuntamente la estabilidad térmica de las baterías de iones de litio y reducir la posibilidad de que se produzcan escapes térmicos.
Tess
Hola! Soy un escritor senior en la industria de intercambio de baterías de dos y tres ruedas, con muchos años de experiencia en la escritura, comprometido a proporcionar los últimos conocimientos, servicios y un conjunto completo de soluciones de intercambio de baterías para diversas industrias.
Batería de iones de litio con fuga térmica: causas, mecanismo y prevención
Pila de iones de litio con fuga térmica es un problema de seguridad clave en la tecnología moderna de almacenamiento de energía. Comprender el mecanismo de fuga térmica de las baterías de litio y sus medidas preventivas es muy importante para garantizar la seguridad y fiabilidad del sistema de baterías.
En este artículo se explican las causas, el mecanismo y la prevención del desbordamiento térmico de las baterías de iones de litio.
¿Qué es el desbordamiento térmico en las baterías de iones de litio?
La fuga térmica de la batería de litio se refiere al fenómeno de que la corriente de la batería de litio y el aumento de la temperatura interna se producen un uso acumulativo de refuerzo mutuo, lo que resulta en daños de la batería de litio. El cuerpo principal de la fuga térmica en un sentido estricto se refiere a una sola célula. Atropello térmico generalizado, cuyo objeto se refiere a PACK.
En pocas palabras, el desbocamiento térmico es un proceso de bucle de retroalimentación energética positiva: el aumento de la temperatura provoca el calentamiento del sistema, lo que a su vez provoca el calentamiento del sistema, lo que a su vez hace que el sistema se caliente aún más y, en última instancia, provoca un incendio o una explosión.
¿Qué causa el desbordamiento térmico en las baterías de iones de litio?
Cortocircuito externo
Alta temperatura exterior
La fusión del diafragma provoca una cortocircuito internoy la liberación de energía eléctrica aumenta la producción de calor.
El resultado de este uso destructivo acumulativo y que se refuerza mutuamente es que se rompe la película antideflagrante de la célula de la batería, se expulsa el electrolito y se produce el incendio.
Cortocircuito interno
Debido al uso incorrecto de las baterías de iones de litio o a defectos de calidad de la batería de litio, como los cristales de bifurcación causados por la sobrecarga y la sobredescarga, las impurezas en el polvo del proceso de producción de la batería, etc., se deteriorará el crecimiento y se perforará el diafragma, se producirá un microcortocircuito, la liberación de energía eléctrica provocará un aumento de la temperatura, y la reacción química del material provocada por el aumento de la temperatura ampliará la trayectoria del cortocircuito, formando una corriente de cortocircuito mayor. Se forma una destrucción acumulativa que se refuerza mutuamente, lo que conduce al desbocamiento térmico.
En los casos de incendios causados por desbordamiento térmico de baterías de litio en los últimos años, la mayoría de ellos son causados primero por cortocircuitos internos, y su calor y temperatura forman un entorno externo de alta temperatura para las baterías adyacentes, desencadenando el desbordamiento térmico de las baterías adyacentes, lo que conduce a una reacción en cadena de todo el PACK.
Mecanismo de fuga térmica de una batería de iones de litio
Las pilas de litio son iones de litio incrustados en carbono (coque de petróleo y grafito) para formar un electrodo negativo.
El material del cátodo suele ser LixCoO2, LixNiO2 y LixMnO4, y el electrolito es LiPF6+ carbonato de dietileno (EC)+ carbonato de dimetilo (DMC).
Los principales factores inductores del desbocamiento térmico son los daños mecánicos, sobrecarga de la bateríacortocircuito interno, etc. Bajo la influencia de diversos factores, el material activo dentro de la batería de iones de litio tiene una reacción exotérmica violenta, y la temperatura interna de la batería excede el rango controlable, que en última instancia conduce a la fuga térmica.
La reacción química exotérmica en las baterías de iones de litio comprende la descomposición de la película de interfaz del electrolito sólido SEI, la reacción del material activo negativo y el electrolito, la reacción del material activo negativo y el aglutinante, y la reacción de descomposición por oxidación del electrolito.
¿Cómo evitar el desbordamiento térmico en las baterías de iones de litio?
Protección exterior
Componentes PTC (coeficiente de temperatura positivo)
Válvula antideflagrante
Sistema de refrigeración mejorado
El sistema de gestión térmica se encarga principalmente de controlar la temperatura para garantizar que la batería esté siempre a una temperatura de funcionamiento razonable. Normalmente, el sistema de gestión térmica está controlado por el controlador del vehículo. Cuando la temperatura de la batería de litio es anormal, el sistema de aire acondicionado se encarga de disipar el calor o calentarla a tiempo para garantizar la seguridad y la vida útil de la batería.
Lámina aislante de aerogel para baterías
La almohadilla aislante de aerogel puede montarse entre la célula de la batería de potencia y el módulo. Cuando se produce el control térmico de la célula de la batería, el aerogel con baja conductividad térmica puede desempeñar un papel de aislamiento térmico, retrasando o bloqueando el accidente.
Cuando la célula de la batería se sobrecalienta y se quema, la lámina aislante de aerogel alcanza su clase. Un rendimiento incombustible también puede bloquear o retrasar eficazmente la propagación del fuego, y puede garantizar que el paquete de baterías no se queme o explote en 5 minutos, proporcionando tiempo suficiente para escapar.
Mejora interna
Mejorar el sistema de líquido electrolítico
Como la sangre de las baterías de iones de litio, la electrolito de batería de iones de litio determina directamente el rendimiento de la bateríay desempeña un papel importante en la capacidad de la batería, el rango de temperatura de funcionamiento, el rendimiento cíclico y el rendimiento de seguridad.
En la actualidad, los componentes más utilizados en el sistema de líquido electrolítico de las baterías comerciales de iones de litio son el LiPF6, el carbonato de vinilo y el carbonato lineal. Un gran número de disolventes de carbonato con puntos de ebullición bajos y puntos de inflamación bajos en el electrolito se inflamarán a baja temperatura, lo que entraña grandes riesgos para la seguridad.
Por lo tanto, muchos investigadores intentan mejorar el sistema de líquido electrolítico para mejorar el rendimiento de seguridad del electrolito. Si el material principal de la batería no sufre cambios subversivos en poco tiempo, mejorar la estabilidad del electrolito es una forma importante de aumentar la seguridad de la batería.
Material del electrodo positivo
El material del cátodo de la batería de iones de litio es inestable cuando el estado de carga voltaje de la batería de iones de litio es superior a 4V, y es fácil la descomposición térmica a altas temperaturas para liberar oxígeno, y el oxígeno sigue reaccionando con disolventes orgánicos para producir una gran cantidad de calor y otros gases, reduciendo la seguridad de la batería. Por lo tanto, la reacción entre ánodo de batería de iones de litio y el electrolito se considera la causa principal del desbordamiento térmico.
Para los materiales de electrodos positivos, la modificación del revestimiento es un método común para mejorar su seguridad. Tales como MgO, A12O3, SiO2, TiO2, ZnO, SnO2, ZrO2 y otras sustancias en la superficie del material del electrodo positivo, pueden reducir la reacción entre el electrodo positivo y el electrolito después de la eliminación de Li+, al tiempo que reducen la liberación de oxígeno del electrodo positivo, inhiben el cambio de fase del material del electrodo positivo, mejoran su estabilidad estructural, reducen el desorden del catión en la red y reducen el material del electrodo positivo. Esto reduce la generación de calor por reacciones secundarias durante el ciclo.
Separador
En la actualidad, el separador más utilizado en las baterías comerciales de iones de litio siguen siendo los materiales de poliolefina, cuyas principales desventajas son la contracción térmica a altas temperaturas y la escasa humectación del electrolito.
Para superar estos defectos, los investigadores han probado muchos métodos, como encontrar un material termoestable en su lugar, o añadir una pequeña cantidad de polvo de nanopartículas de Al2O3 o SiO2 al diafragma, que no sólo utiliza diafragma ordinario, sino que también mejora la estabilidad térmica del material del electrodo positivo.
Conclusión