Consideraciones de seguridad para las pruebas de baterías de litio

Consideraciones de seguridad para las pruebas de baterías de litio

1.Introducción

La batería de iones de litio es una fuente de energía de amplia aplicación en dispositivos portátiles y presenta las ventajas de una alta densidad energética, ausencia de efectos memoria, larga vida útil, respeto por el medio ambiente, etc. Después de que las pequeñas baterías de iones de litio dominen el sector de la electrónica de consumo, se están desarrollando las grandes baterías de iones de litio, que se están introduciendo en las aplicaciones para automóviles y redes eléctricas.

La aplicación de las baterías de iones de litio provoca accidentes por incendio y explosiones, por lo que muchos investigadores del campo de la química de las baterías han estudiado y analizado las razones de los fallos de las baterías en diversas condiciones desde el punto de vista de la química. De acuerdo con estos estudios, se han introducido mejoras continuas en los componentes de las baterías: se han desarrollado diversos materiales de ánodo y cátodo para mejorar la estabilidad química; se ha diseñado un separador multicapa para limitar el desbordamiento térmico; se han introducido aditivos adecuados en el electrolito para bloquear las reacciones químicas o descargar la propia batería para mitigar el riesgo de sobrecarga sin afectar a la carga normal, etc. También se mejoraron las técnicas de fabricación y montaje para disminuir la probabilidad de defectos. Sin embargo, las sustancias detalladas de los componentes de la batería y la calidad de su ensamblaje, que afectan en gran medida a la seguridad de la batería, siguen sin estar claras para los ingenieros eléctricos que operan el sistema de almacenamiento de energía de la batería. Por lo tanto, es necesario presentar los principios de las baterías de iones de litio y, a continuación, obtener una perspectiva básica sobre los riesgos causados por las baterías de iones de litio y las razones de dichos riesgos. Esta perspectiva proporcionará a los ingenieros que operan BESS los medios adecuados para una seguridad bien regulada.

2.Prueba de abuso de la célula de la batería de iones de litio

En la práctica, el fallo de una pila de iones de litio es un proceso integral, que puede comenzar con cualquiera de las reacciones exotérmicas mencionadas anteriormente y terminar con diferentes peligros, como la expansión del cuerpo de la pila, la fuga de electrolito, el escape de gas, el incendio, la explosión, etc. Para estimar el nivel de seguridad de las baterías de iones de litio comerciales, se diseñan elementos de prueba de abuso en aspectos mecánicos, eléctricos y térmicos de acuerdo con las normas de UL e IEC Para las BESS de iones de litio utilizadas en la aplicación de red, se prefieren las baterías grandes con diseño tipo bolsa o tipo prismático. Todas las celdas se cargaron por completo antes de someterlas a pruebas de abuso según las normas.

2.1 Abuso térmico

Las células objetivo se calentaron en una cámara de temperatura. La temperatura ambiente de la cámara se fijó en 130 ℃ con un ritmo creciente de 5℃/min. Una vez que la temperatura ambiente de la cámara alcanzó los 130 ℃, se mantuvo durante 10 min y, a continuación, se observaron las muestras. Bajo la temperatura,los riesgos potenciales fueron traídos por SEI fracaso la fusión del separador y un aumento de la presión de gas del electrolito. Tras la prueba, no se observaron fugas, escapes de gas ni caídas de tensión en las pilas probadas.

En la Fig. 2 se observa que el cuerpo de las celdas prismáticas y de tipo bolsa se expande. La expansión del cuerpo puede deberse a la vaporización del electrolito. La tasa de expansión del cuerpo en la prueba depende de la cantidad de disolvente de bajo punto de ebullición en el electrolito. La cantidad exacta y la proporción no están claras para los usuarios. Sin embargo, de acuerdo con la observación, se concluye que la muestra de tipo bolsa mostrada en la Fig.2(c) tiene un mejor rendimiento que la de la Fig.2(b), lo que indica un mayor nivel de seguridad. La muestra de tipo prismático de la Fig.2 (a) presenta un buen rendimiento debido a su elevada resistencia térmica causada por el grosor.

2.2 Penetración del clavo

Se penetró un clavo de ∅5 mm en las muestras a 20 mm/s. A continuación, se extrajo al cabo de 1 min. En esta condición de prueba, puede producirse un cortocircuito interno causado por el contacto directo de los materiales positivo y negativo. El calor producido por el cortocircuito interno puede provocar reacciones de descomposición de los componentes de la pila.

Durante la prueba, se observaron salpicaduras de electrolito y graves escapes de gas en todas las pilas de tipo prismático. En la Fig. 3(a) se muestran la tensión y la temperatura superficial medidas en una celda. Las curvas mostraron la aparición de un cortocircuito interno que provocó una liberación de la energía almacenada y una caída de la tensión de la célula. Además, la temperatura aumentó hasta 130 8 ℃ debido a la energía liberada. A continuación, la temperatura de la superficie descendió a un rango relativamente seguro, lo que significa que no se produjeron reacciones exotérmicas en cadena y que se evitó el desbocamiento térmico tras la prueba.

En el caso de las células de tipo bolsa, no se detectaron aumentos de temperatura, salpicaduras de electrolito ni escapes de gas durante la prueba, excepto en una de las cinco muestras. En la Fig.3 (b) se representan la tensión medida y la temperatura superficial de la problemática. Parte de la energía almacenada se liberó a través del cortocircuito interno. Y el cortocircuito interno se terminó por el gas liberado del electrolito, que gastó el cuerpo de la célula y formó una capa de aislamiento entre los materiales positivo y negativo y el separador en la zona penetrada.

Este cortocircuito interno incompleto sólo provocó una ligera reducción de la tensión de la célula y un pico de temperatura de 90. al descender la temperatura de la superficie de la célula, el fenómeno de embalamiento térmico no se produjo tras la prueba. La protección contra el venteo de la célula de tipo prismático se activó debido a la elevada presión interna, como se muestra en la Fig.4(a). En el caso de la célula de tipo bolsa, se observaron dilataciones del cuerpo, como se muestra en la Fig. 4(b). En general, las células de tipo bolsa muestran un mayor nivel de seguridad en comparación con las células de tipo prismático.

2.3 Sobrecarga

Las muestras se sobrecargan con una corriente de 0,05 C. Una vez que la tensión de la célula alcanza los 5 V o el tiempo de carga llega a 30 min, la prueba finaliza. 1 C se define como la tasa de corriente a la que la célula de la batería se descarga completamente en 1 hora, lo que significa que 1 C equivale a 40 A para una batería con una capacidad de 40 Ah.

En todas las muestras probadas no se observaron fugas de electrolito, gases de ventilación ni otros peligros. La expansión del cuerpo de las muestras puede observarse después de la prueba. De acuerdo con la tensión medida de la célula y las temperaturas ambiente y de la superficie de la célula mostradas en la Fig.5, se concluye que no se produjo el fenómeno de embalamiento térmico.

2.4 Cortocircuito externo

Se conectó un contactor de circuito entre los electrodos de muestra, y la resistencia al cortocircuito se fijó en 5 mΩ. En los ensayos iniciales de la prueba, se encontraron incendios en el cable o en el contactor, como se muestra en la Fig.6. Por lo tanto. En la prueba posterior se eligieron cables y contactores con una corriente de 1 500 A para evitar el incendio en el circuito de prueba.

Durante la prueba de todas las muestras de tipo prismático, así como de algunas muestras de tipo bolsa, se detectaron dilataciones del cuerpo, fugas de electrolito y escapes de gas. Después de cerrar el contactor del circuito de prueba, la temperatura de la superficie de la célula subió hasta unos 100°C. Con una temperatura elevada, el cuerpo de la célula se expandió (como se muestra en la Fig. 7, área A ) con gas liberado del electrolito (como se muestra en la Fig.7, área B)y se produjo una fuga de electrolito (como se muestra en la Fig.7, área C). Finalmente, se produjo una feroz fuga de gas con electrolito (como se muestra en la Fig.7, área D). De acuerdo con la introducción previa del electrolito, el gas venteado y el electrolito son inflamables. Después de unos 10 minutos, la temperatura de la superficie de la célula comenzó a descender. No se produjo ningún incendio ni explosión durante ni después de la prueba. Por lo tanto, no se produjo el fenómeno de embalamiento térmico.

Además, el colector de corriente del electrodo positivo se fundió inmediatamente, poniendo fin al cortocircuito externo. Este fenómeno se observó en la mayoría de las muestras de tipo bolsa y en una muestra de tipo prismático. La Fig. 8 muestra que la fusión de las muestras de tipo prismático fue más intensa que la de las muestras de tipo bolsa. Las chispas metálicas de la Fig. 8 salpicaron desde el colector de corriente positivo. Esas chispas metálicas pueden encender el gas de ventilación o el electrolito que se escapa y provocar un incendio.