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Conocimientos básicos de los objetos controlados por el sistema BMS - Sobrecarga
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El concepto de sobrecarga, o sobrecarga, es un tipo de abuso de las baterías de iones de litio en el que el voltaje de carga de una batería de iones de litio es demasiado alto por encima de su voltaje de corte de carga.
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El concepto de sobrecarga, o sobrecarga, es un tipo de abuso de las baterías de iones de litio en el que el voltaje de carga de una batería de iones de litio es demasiado alto por encima de su voltaje de corte de carga. La carga de las baterías de iones de litio suele establecer un voltaje de corte de carga, el proceso necesita utilizar el método de carga de corriente y voltaje constantes para evitar la sobrecarga de la batería. Sin embargo, en circunstancias especiales, como daños en el sistema de gestión de la batería (BMS), un mal funcionamiento, etc., provocará una sobrecarga de la batería de iones de litio, lo que a su vez provocará daños en el rendimiento de la batería y problemas de seguridad. La sobrecarga continua a un ritmo elevado provocará un aumento de la temperatura y la presión interna de la batería, lo que tendrá un efecto devastador en el rendimiento y el aspecto de la batería en casos graves, como fugas, abultamiento del fondo, aumento de la resistencia interna de la batería y reducción del tiempo de descarga y del ciclo de vida.
El principio es bien conocido, la diferencia entre el potencial positivo y el potencial negativo del voltaje de la batería. Cuando se carga, el potencial positivo aumenta, el potencial negativo disminuye.
La fórmula de reacción es la siguiente:
reacción positiva de los electrodos:
reacción negativa de los electrodos:
x corresponde a la cantidad de litio extraído/incorporado en el material del electrodo/cátodo positivo. La relación entre el contenido positivo y negativo de litio y el voltaje y la relación entre el voltaje de la batería y el voltaje positivo y negativo se muestran en la figura 1. 4.2V es el voltaje de carga completa más común de las baterías de iones de litio, y la inconsistencia será menor cuando se utilice en un grupo.
Fig. 1 Relación entre el contenido de litio y el voltaje de los electrodos positivos y negativos, la relación entre el voltaje de la batería y el voltaje de los electrodos positivos y negativos
Cuando se sobrecarga, el electrolito positivo y negativo dentro de la batería puede participar en reacciones laterales. La reacción lateral suele ir acompañada de una pérdida de capacidad de la batería y un cambio en la resistencia interna, que puede dar lugar a altas temperaturas, flatulencia y, en última instancia, una explosión. Específicamente, las reacciones laterales que ocurren en diferentes materiales son diferentes.
batería de reacción de sobrecarga de cátodo de grafito en la sobrecarga, los iones de litio se reducen fácilmente depositados en la superficie negativa: el litio depositado recubierto en la superficie negativa, bloqueando la incrustación de litio. Conducir a la eficiencia de la descarga y la pérdida de capacidad, las razones son:
la cantidad de litio en circulación se reduce;
el metal de litio depositado y el disolvente o la reacción electrolítica de apoyo para formar Li2CO3, LiF u otros productos;
el metal de litio se forma normalmente entre el negativo y la membrana, puede bloquear el poro de la membrana para aumentar la resistencia interna de la batería;
debido a la naturaleza del litio es muy activo, fácil de reaccionar con el electrolito, y consumir el electrolito. Esto lleva a una reducción de la eficiencia de la descarga y a una pérdida de capacidad. La carga rápida, la excesiva densidad de corriente, la severa polarización del electrodo negativo y la deposición de litio serán más evidentes. Esto es propenso a ocurrir cuando hay un exceso de activados positivos relativamente a activados negativos. Sin embargo, a altas velocidades de carga, la deposición de litio metal puede ocurrir incluso si la proporción de especies reactivas positivas y negativas es normal.
Reacción de sobrecarga anódica
La sobrecarga anódica es propensa a ocurrir cuando la proporción de especies activas positivas y negativas es demasiado baja en relación con las especies activas negativas.
La pérdida de capacidad debido a la sobrecarga del ánodo se debe principalmente a la generación de sustancias electroquímicamente inertes (por ejemplo, Co3O4, Mn2O3, etc.), que altera el equilibrio de capacidad entre los electrodos, y la pérdida de capacidad es irreversible. Incluso la excesiva eliminación de litio puede causar un colapso estructural. En el caso del cobalto de litio convencional, ternario, la cantidad máxima de remoción de litio es de alrededor del 50%; en el caso de la estructura más estable del fosfato de hierro y litio tipo olivino, la cantidad máxima de remoción de litio es de alrededor del 80%.
① LiyCoO2
LiyCoO2→(1-y)/3[Co3O4 + O2(g)]+yLiCoO2 y<0,4
Al mismo tiempo, el oxígeno producido por la descomposición de los materiales catódicos en una batería sellada de iones de litio debido a la ausencia de reacciones de recombinación (por ejemplo, para generar H2O) y la acumulación simultánea de gases inflamables producidos por la descomposición del electrolito, las consecuencias serán inimaginables.
② λ-MnO2
la reacción de litio-manganeso se produce en el estado de óxido de litio-manganeso completamente de litio: λ-MnO2→Mn2O3+O2(g)
la reacción de oxidación de electrolitos en la sobrecarga
Cuando la presión es superior a 4,5V, el electrolito se oxida y genera sustancias insolubles (como Li2Co3) y gas. Estas sustancias insolubles obstruirán los poros del electrodo e impedirán la migración de los iones de litio, lo que provocará la pérdida de capacidad durante el ciclo. Factores que afectan a la velocidad de oxidación:
la superficie del material del ánodo
el material colector
el agente conductor añadido (negro de carbón, etc.)
Tipos de negro de carbón y tamaño de la superficie
De los electrolitos más utilizados hoy en día, se considera que el EC/DMC tiene la mayor resistencia a la oxidación. El proceso de oxidación electroquímica de una solución se expresa generalmente como: solución → productos de oxidación (gases, soluciones y sustancias sólidas) + ne - La oxidación de cualquier disolvente aumentará la concentración de electrolito y disminuirá su estabilidad, afectando en última instancia a la capacidad de la batería. La reacción es más complicada cuando se produce una sobrecarga en toda la batería. Si tomamos como ejemplo la batería NCM111+LMO/Gr de 40Ah, los cambios de voltaje, temperatura y resistencia interna durante el proceso de sobrecarga se muestran en la figura 2, que puede dividirse aproximadamente en cuatro etapas.
Etapa 1: 1
Etapa 2: 1.2
Etapa 3: 1.4
Etapa 4: SOC>1,6, la presión interna de la batería excede el límite, la cubierta se rompe, el diafragma se encoge y se deforma, y la batería se agota térmicamente. Se produce un cortocircuito en el interior de la batería, se libera rápidamente una gran cantidad de energía, y la temperatura de la batería aumenta bruscamente hasta 780℃. Las reacciones laterales en cada etapa de sobrecarga se muestran en la Figura 3.
Referencias: D.Ren et al. / Journal of Power Sources.