Fuga térmica de la batería de un VE

Los problemas de seguridad son el principal obstáculo para la aplicación a gran escala de las baterías de iones de litio en los vehículos eléctricos.

Con la continua mejora de la densidad energética de las baterías de iones de litio, mejorar su seguridad es cada vez más urgente para el desarrollo de vehículos eléctricos. La fuga térmica es una cuestión clave en la investigación sobre la seguridad de las baterías. Por lo tanto, este artículo proporciona una revisión exhaustiva del mecanismo de fuga térmica de las baterías comerciales de iones de litio utilizadas en vehículos eléctricos. Se resumen las situaciones de abuso que pueden provocar el desbordamiento térmico. Las situaciones de abuso incluyen abuso mecánico, abuso eléctrico y abuso térmico. Los cortocircuitos internos son la característica más común de todas las situaciones de abuso.

Abuso mecánico

Bajo fuerzas externas, la deformación de las pilas y baterías de litio, así como el desplazamiento relativo de diferentes partes de las mismas, es la principal característica externa del abuso mecánico. Las principales formas para las celdas de batería incluyen colisión, compresión y penetración de clavos. Teniendo en cuenta el nivel del paquete de baterías, también hay que considerar los problemas de vibración.

En el abuso mecánico, la más peligrosa es la penetración de clavos, en la que el conductor se introduce en el cuerpo de la batería, provocando un cortocircuito directo entre los polos positivo y negativo. En comparación con las colisiones, los apretones, etc., es sólo una probabilidad que se produzcan cortocircuitos internos. La generación de calor durante el proceso de penetración de clavos es más intensa, y la probabilidad de que el calentamiento se descontrole es mayor.

Anteriormente, la penetración de clavos se consideraba un método de prueba alternativo para el ISC. Sin embargo, la repetibilidad de las pruebas con agujas está siendo cuestionada por los fabricantes de baterías. Algunos creen que las baterías de iones de litio con mayor densidad energética nunca superarán la prueba estándar de la aguja. Mejorar la repetibilidad de las pruebas de penetración de clavos o encontrar métodos de prueba alternativos sigue siendo una cuestión abierta y desafiante en la investigación de la seguridad de las baterías de iones de litio.

Abuso eléctrico

El abuso eléctrico de las baterías de litio suele incluir cortocircuitos externos, sobrecargas y descargas, entre las cuales la sobrecarga es la que tiene más probabilidades de convertirse en embalamiento térmico.

El cortocircuito externo se produce cuando dos conductores con una diferencia de presión se conectan fuera de la célula. El cortocircuito externo de la batería puede deberse a deformaciones, inmersión, contaminación de los conductores o descargas eléctricas durante el mantenimiento provocadas por colisiones de automóviles.

En comparación con la penetración de clavos, el calor liberado por los cortocircuitos externos no suele calentar la batería. El vínculo importante entre el cortocircuito externo y el desbordamiento térmico es la temperatura excesiva. Cuando el calor generado por los cortocircuitos externos no se puede disipar bien, la temperatura de la batería aumentará, y el calor de contacto a alta temperatura perderá el control. Por lo tanto, cortar la corriente de cortocircuito o disipar el exceso de calor son métodos para suprimir los daños adicionales causados por el cortocircuito externo.

Sobrecarga

Debido a su alto contenido energético, es el tipo de abuso eléctrico más peligroso. La generación de calor y gas son dos características comunes durante la sobrecarga. El calor procede del calor óhmico y de reacciones secundarias. En primer lugar, debido a la inserción excesiva de litio, crecen dendritas de litio en la superficie del ánodo. El momento en que empiezan a crecer las dendritas de litio viene determinado por la relación estequiométrica del cátodo y el ánodo. En segundo lugar, el desprendimiento excesivo de litio provoca el colapso de la estructura del cátodo debido al calentamiento y a la liberación de oxígeno. La liberación de oxígeno acelera la descomposición de los electrolitos, produciendo una gran cantidad de gas. Debido al aumento de la presión interna, la válvula de escape se abre y la batería comienza a agotarse. Cuando la sustancia activa de la célula de la batería entra en contacto con el aire, sufre una reacción violenta y libera una gran cantidad de calor. La protección contra la sobrecarga puede aplicarse desde dos aspectos: la gestión de la tensión y el ajuste del material.

Sobredescarga

Es inevitable que existan tensiones inconsistentes entre las baterías de un mismo pack. Por lo tanto, una vez que el BMS no supervisa específicamente cualquier celda individual de la batería con el voltaje más bajo, se sobredescargará. El mecanismo del abuso de la sobredescarga es diferente de otras formas de abuso, y su peligro potencial puede subestimarse.

Durante la sobredescarga, la batería con el voltaje más bajo del pack de baterías puede ser descargada forzosamente por otras baterías conectadas en serie. Durante la descarga forzada, la inversión de polos hace que la tensión de la batería se vuelva negativa, lo que provoca un calentamiento anormal de la batería sobredescargada. Los iones de cobre disueltos causados por la sobredescarga migran a través de la membrana y forman dendritas de cobre con un potencial más bajo en el lado del cátodo. A medida que aumenta el crecimiento, las dendritas de cobre pueden penetrar en la membrana, provocando una ISC grave.

Abuso térmico

El sobrecalentamiento local puede ser una situación típica de abuso térmico que se produce en las baterías. El abuso térmico rara vez existe de forma independiente y a menudo se desarrolla a partir del abuso mecánico y eléctrico, y en última instancia es una causa directa del calentamiento fuera de control. Además del sobrecalentamiento causado por el abuso mecánico/eléctrico, el sobrecalentamiento puede ser causado por contactos de conexión sueltos. Se ha confirmado el problema de las conexiones sueltas de las baterías. El abuso térmico es también la situación más comúnmente simulada, utilizando baterías de calentamiento controlado para observar sus reacciones durante el proceso de calentamiento.

Cortocircuito interno

Cortocircuito interno, contacto directo entre los polos positivo y negativo de la batería, por supuesto, el grado de contacto también varía mucho en las reacciones posteriores desencadenadas. El ISC a gran escala, generalmente causado por el abuso mecánico y térmico, desencadenará directamente el desbocamiento térmico. Por el contrario, el cortocircuito interno autodesarrollado es relativamente leve y genera muy poco calor, lo que no desencadenará inmediatamente la fuga térmica.

La tasa de liberación de energía varía con el grado de rotura del diafragma y el tiempo transcurrido desde el ISC hasta el desbordamiento térmico. Se cree que la ISC espontánea se origina por contaminación o defectos en el proceso de fabricación. La contaminación o los defectos tardan días o incluso meses en convertirse en ISC espontánea, y los mecanismos implicados en el proceso de incubación a largo plazo son bastante complejos.

El artículo presenta los resultados de las investigaciones actuales sobre el fenómeno, las causas y las estrategias de respuesta al desbordamiento térmico. Las características más comunes de todas las condiciones de abuso son los cortocircuitos internos, incluidos el abuso mecánico, el abuso eléctrico y el abuso térmico. El desbordamiento térmico sigue el mecanismo de reacción en cadena, durante el cual las reacciones de descomposición de los materiales componentes de la batería se producen una tras otra.