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Fuga térmica de la batería de almacenamiento de energía

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Fuga térmica de la batería de almacenamiento de energía

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1.Posibles causas del desbordamiento térmico

Las baterías de almacenamiento de energía generalmente experimentan embalamiento térmico en condiciones de abuso, y las condiciones de abuso comunes se dividen en tres categorías: abuso mecánico, abuso eléctrico y abuso térmico.

La causa más común del desbordamiento térmico es el abuso eléctrico. En condiciones de trabajo abusivas, las baterías de iones de litio no sólo liberan calor de reacción, calor óhmico y calor de polarización, sino que también incluyen calor liberado por cortocircuitos internos y calor liberado por reacciones. El calor liberado por los cortocircuitos internos y las reacciones laterales (incluida la descomposición de la membrana SEI, la reacción del electrolito de los electrodos positivo y negativo, la disolución de la membrana, la descomposición del electrolito) es mucho mayor que el calor generado en condiciones normales de funcionamiento, lo que puede provocar un rápido aumento de la temperatura de la batería y conducir fácilmente a un calentamiento incontrolado

(1) Abuso mecánico

La principal característica del abuso mecánico es el desplazamiento relativo de las celdas y módulos de la batería bajo fuerzas externas. Las formas principales para las celdas de batería (monómeros) incluyen colisión, compresión y perforación. En el caso de los módulos (baterías), también hay que tener en cuenta las vibraciones.

En el abuso mecánico, el más peligroso es la punción, 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 y otras situaciones en las que los cortocircuitos internos sólo se producen con probabilidad, la generación de calor durante el proceso de perforación es más intensa, lo que da lugar a una mayor probabilidad de calentamiento fuera de control

(2) Abuso eléctrico

El abuso de la electricidad incluye generalmente varias formas, como la sobrecarga, la sobredescarga o el cortocircuito externo, y la sobrecarga es la que tiene más probabilidades de convertirse en fuga térmica. Debido al alto contenido energético de las baterías, la sobrecarga es la forma más dañina de abuso eléctrico, y la generación de calor y gas son dos características comunes en el proceso de sobrecarga. El calentamiento 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, y la relación estequiométrica entre el cátodo y el ánodo determina cuándo empiezan a crecer las dendritas de litio. En segundo lugar, el desprendimiento excesivo de litio provoca el colapso de la estructura del electrodo positivo debido al calentamiento y a la liberación de oxígeno, lo que acelera la descomposición del electrolito y genera una gran cantidad de gas. Debido al aumento de la fuerza interna, se abre la válvula de seguridad y se abre la batería. Cuando la sustancia activa de la pila entra en contacto con el aire, reacciona violentamente y libera una gran cantidad de gas

(3) Abuso de calor

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 forma parte del contacto con el desbordamiento térmico. La energía local es una situación típica de abuso térmico que se produce en las baterías. Además del sobrecalentamiento causado por el abuso mecánico y eléctrico, se ha confirmado que el sobrecalentamiento también puede estar causado por contactos de conexión sueltos

2.Proceso de desbordamiento térmico

El proceso de desbocamiento térmico de las baterías de iones de litio puede resumirse generalmente de la siguiente manera: ① Descomposición del SEI; ② El electrodo negativo incrustado de litio reacciona con el electrolito; ③ Fusión de la membrana; ④ El electrodo positivo sufre una reacción de descomposición; ⑤ El electrolito sufre una reacción de descomposición por sí mismo; ⑥ Vaporización y combustión del electrolito.

1) Durante la primera etapa de la carga normal, la temperatura de la superficie de la batería es relativamente baja (26-30 ° C). Los iones de litio normalmente se desprenden del electrodo positivo y se insertan en el electrodo negativo, lo que resulta en un lento aumento de la tensión de la batería. Cuando la tensión de la batería ronda los 3,6 V, el electrodo negativo de la batería tiende a saturarse

2) Durante la segunda etapa de ligera sobrecarga, la temperatura de la superficie de la batería aumenta significativamente (39-46 ° C). El electrodo positivo pierde mucho litio, y el ion de litio tiende a saturarse por estar incrustado en el electrodo negativo. Los iones de litio precipitarán en la superficie del electrodo negativo y tenderán a depositarse en la zona del borde del electrodo negativo más cercana al electrodo positivo. Estudios anteriores han demostrado que las dendritas de litio precipitadas en la superficie del electrodo negativo reaccionarán con el aglutinante orgánico del electrodo negativo.

Estudios anteriores han demostrado que las dendritas de litio precipitadas en la superficie del electrodo negativo reaccionarán con el aglutinante orgánico del electrodo negativo para generar la precipitación de hidrógeno de metal de litio y la eliminación severa de litio del electrodo positivo, lo que resulta en un aumento continuo de la tensión de la batería.

3) En la tercera etapa, las dendritas de litio sufren una reacción lateral con el electrolito para generar calor, lo que provoca un aumento de la temperatura interna de la batería. Cuando la temperatura supera los 90 ℃, se desencadena la descomposición de la película de SE y se genera gas

4) En la cuarta etapa, cuando la temperatura interna de la batería de iones de litio alcanza alrededor de 130 ℃, el separador se funde, provocando una gran zona de cortocircuito en la batería y generando calor. La alta temperatura causada por la acumulación de calor forma una retroalimentación positiva en la reacción interna, generando gas, y la batería comienza a sufrir reacciones autoaceleradoras incontrolables, haciendo que aumente aún más la temperatura de la batería.

En el rango de 200~300 ℃, el propio electrolito sufrirá reacciones de descomposición, produciendo gas y, en última instancia, provocando incendios e incluso accidentes por explosión. El daño causado por la fuga térmica de una sola batería es generalmente limitado, pero en el escenario de aplicación de las centrales eléctricas de almacenamiento de energía, el número de baterías individuales es grande y están dispuestas estrechamente. Cuando una sola batería experimenta una fuga térmica, el calor generado puede transmitirse a las baterías circundantes, haciendo que la fuga térmica se extienda y se amplíen los daños causados.

3.Parámetros característicos de detección

1) La resistencia interna de la batería disminuye con el aumento de la temperatura dentro del rango de temperatura de funcionamiento normal. Sin embargo, cuando la batería experimenta un desbordamiento térmico y provoca un aumento anormal de la temperatura, se produce un aumento significativo de su resistencia interna. Sin embargo, el cambio repentino de la resistencia interna de la batería también puede verse influido por otros factores, como perturbaciones externas o un mal contacto causado por algunos motivos, que también pueden provocar un aumento repentino de la resistencia interna de la batería. Por lo tanto, basarse únicamente en los cambios en la resistencia para determinar si una batería ha experimentado un embalamiento térmico no es exacto, y es necesario combinarlo con otros parámetros característicos para determinarlo.

2) La temperatura es un parámetro importante del desbordamiento térmico en las baterías de iones de litio, ya que existe una relación de refuerzo mutuo entre la temperatura y las reacciones secundarias cuando la batería experimenta un desbordamiento térmico, formando una retroalimentación positiva. Muchos dispositivos de aviso de batería y sistemas de gestión de baterías están equipados con dispositivos de detección de temperatura para controlar la temperatura de la batería. Cuando la temperatura supera el umbral preestablecido, se emite una señal de alarma o se toman las medidas correspondientes.

Se ha propuesto una estrategia de advertencia de tres niveles para la batería de iones de litio 18650 y el pack de baterías: cuando la temperatura de la batería supere los 50 ℃, la capacidad decaerá, y la temperatura aumentará lentamente en el rango de 50-80 ℃, siendo 70-80 ℃ la más lenta. Por lo tanto, las temperaturas de advertencia de tres niveles se establecen en 50 ℃, 70 ℃ y 80 ℃, respectivamente. Sin embargo, este método de control de la temperatura de la superficie tiene histéresis, ya que el calor generado internamente tarda cierto tiempo en transmitirse a la superficie, y también hay disipación de calor durante el proceso de transmisión (intercambio de calor entre la batería y el entorno).

3) Cuando la batería se encuentra en la fase inicial de embalamiento térmico, estos gases característicos aumentarán gradualmente su concentración desde cero, lo que indica un cambio significativo en las características. Por lo tanto, el uso de los sensores de gas correspondientes para la alerta temprana del desbordamiento térmico de la batería es también una forma importante.