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Prueba de estabilidad térmica de la batería de litio - Parte 2

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Prueba de estabilidad térmica de la batería de litio - Parte 2

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2.1 Fenómeno de combustión

Cuando se calientan desde abajo, el proceso de combustión típico de las baterías de iones de litio puede dividirse a grandes rasgos en las seis etapas siguientes en función de la gravedad de la combustión.

(1) Etapa de calentamiento. Después de que el horno de calentamiento caliente continuamente el electrodo negativo de la batería de litio durante un período de tiempo, se formará gradualmente humo en la superficie de la batería, parte del cual procede del daño del electrodo positivo de la célula de la batería de litio. En el lugar del experimento o en el vídeo se puede ver cómo la tapa del electrodo positivo de la pila es arrastrada por la presión del aire. Esto indica que se produjo una reacción violenta en el interior de la pila debido al calentamiento continuo, que produjo una gran cantidad de gas, seguida de una pequeña cantidad de electrolito que emergió del electrodo positivo de la pila, como se muestra en (a).

(2) Etapa de incendio. En el experimento, se observó que la batería produce una gran cantidad de humo antes de la ignición, que contiene muchos combustibles, incluidos los generados a partir de la reacción interna de la batería, así como los generados a partir de la descomposición térmica del material de embalaje de la batería. Después de que el calor se acumula hasta cierto punto, se produce la ignición, como se muestra en (b).

(3) Etapa de ignición. Para la condición experimental de calentamiento desde abajo, la parte central de la batería de litio recibe el calor más concentrado, como se muestra en el recuadro rojo discontinuo de la Figura 4 (a). Por lo tanto, la parte central de la pila comienza a incendiarse en una zona amplia y, a continuación, se propaga a las zonas circundantes. El material del interior de la célula de la batería también sale pulverizado, como se muestra en (c).

(4) Etapa de pulverización. Después de que la superficie de la batería de litio se incendie, la temperatura aumenta bruscamente, lo que provoca que las válvulas de seguridad de las celdas de la batería se abran una a una y, a continuación, el gas combustible se pulveriza hacia fuera, como se muestra en (d), acompañado de la salpicadura de electrolito por todas partes, como se muestra en (e). En esta fase, un fenómeno evidente es la combustión intensa y los sonidos de explosión violenta. Las celdas de la batería también salpican por todas partes bajo presión interna, lo que dificulta la recogida de los cambios de temperatura durante la prueba. El par térmico dispuesto antes de la prueba se daña o se desplaza fácilmente por esta explosión, y no puede garantizar la medición en tiempo real de los cambios de temperatura en el mismo lugar.

(5) La etapa de combustión general. Cuando se abren las válvulas de seguridad de la mayoría de las celdas de baterías de litio, el paquete de baterías de litio entra en la etapa de combustión general, en la que la altura de la llama es mayor y el volumen de la llama es mayor, como se muestra en (f).

(6) Etapa de atenuación. Después de que los materiales combustibles del interior de la batería se consuman gradualmente, el fuego se apaga.

Cuando el paquete de baterías de litio se calienta desde el lateral, el proceso de combustión se muestra en la figura, y toda la etapa de combustión es aproximadamente similar a la condición de calentamiento inferior, incluyendo la ignición, el encendido, la inyección y otros procesos. Desde la perspectiva del tiempo de ignición, excepto por una reducción significativa del tiempo de ignición en la prueba 2, los dos métodos de calentamiento de este artículo no tienen un impacto significativo en el tiempo de ignición. Sin embargo, después de duplicar la potencia, de 1 kW a 2 kW, por ejemplo, en comparación con la Prueba 3 y la Prueba 1, y la Prueba 5 y la Prueba 4, bajo la misma posición de calentamiento, un aumento de la potencia reducirá significativamente el tiempo de ignición.

Como se muestra en (a), el lateral de la batería de litio se calienta mediante una fuente de calor de radiación externa. Después de un cierto tiempo, el paquete de baterías más cercano a la fuente de calor se incendia primero, como se muestra en (b), y luego arde y se propaga de derecha a izquierda.

La válvula de seguridad de la célula de la batería cercana a la llama de alta temperatura se abre, produciendo humo blanco, como se muestra en (c), acompañado del fenómeno de salpicaduras de chispas, como se muestra en (d), Esto indica que el electrolito del interior de la célula de la batería se pulveriza. La llama en la superficie de la batería se extingue gradualmente durante el proceso de propagación, mientras que la batería no encendida sigue experimentando reacciones intensas en su interior.

En este momento, se puede observar una gran cantidad de humo blanco, como se muestra en (f), que es el gas producido por la reacción interna de la célula de la batería. Cuando se encuentra con altas temperaturas, chispas o una energía de ignición similar, la pila vuelve a encenderse, como se muestra en (g), hasta que la llama se extingue por completo. De los resultados de las pruebas se desprende que cuando el lado de la batería de litio se sobrecalienta, la intensidad de la combustión de la batería disminuirá gradualmente con el aumento de la distancia, y se producirá un reencendido intermitente varias veces.

Las celdas de la batería de litio se conectan en serie y en paralelo para formar un paquete de baterías durante su uso, y cada celda de la batería se gestiona de forma inteligente a través de un Sistema de Gestión de Baterías (BMS). Tras ser encendido por una fuente de calor de radiación externa, el paquete de baterías sufrirá una combustión explosiva e intensa. Algunas celdas de la batería se desprenderán del pack de baterías bajo la presión generada por las reacciones internas, salpicarán por todas partes y el material del diafragma interno también se desbordará.

Debido al diseño de la válvula de seguridad del electrodo positivo de la célula de la batería, cuando se genere gas por las reacciones químicas internas, la presión se escapará a través de la válvula de seguridad, reduciendo así el riesgo de daños en la pared exterior de la célula de la batería causados por la presión interna.

En el caso de un paquete de baterías de litio, si una de las baterías experimenta una ignición por fuga térmica o se incendia debido a factores externos, las celdas de batería de litio circundantes se verán sometidas a la transferencia de calor desde la pared, o el residuo de alta temperatura pulverizado arderá, o la radiación térmica generada por una llama abierta encenderá las celdas de batería circundantes, ampliando aún más el área de ignición sin expandir instantáneamente el incendio debido a la explosión de la pared. Esto indica que, en comparación con el lateral de una batería de litio, su parte inferior (electrodo negativo) debe estar mejor protegida contra el fuego.

El proceso de propagación de la combustión de los paquetes de baterías de litio en condiciones de sobrecalentamiento cambia primero con la temperatura de la batería. Midiendo los cambios y la distribución de la temperatura interna en el pack de baterías, se puede analizar cuantitativamente el comportamiento frente al fuego de los packs de baterías de litio. Esto es de gran importancia para controlar mejor el fuego y desarrollar tecnologías de extinción nuevas y eficaces.

2.2 Distribución de la temperatura

El cambio en la temperatura interna de una batería de litio cuando se calienta en la parte inferior. A partir de los cambios en la curva del historial de temperaturas, pueden observarse tres etapas diferentes de la evolución del desbocamiento térmico de la batería, lo que concuerda con los resultados obtenidos del análisis de los fenómenos de combustión en la sección anterior.

Durante la etapa de calentamiento, la temperatura aumenta lentamente, y puede observarse que la temperatura de T 1 aumenta más rápidamente que las demás. Su posición medida es justo en la zona central de la batería, donde recibe la mayor cantidad de calor. Después de abrir la válvula de seguridad positiva de la célula de la batería, sale humo blanco, lo que indica que se está produciendo una reacción violenta en el interior de la célula de la batería, que produce gas.

A medida que la temperatura sigue aumentando, el gas combustible producido desencadena la ignición de la célula de la batería. En este punto, la curva de temperatura muestra un brusco punto de inflexión ascendente. En el momento de la ignición, la temperatura de T 1 es de unos 139 ℃, y al mismo tiempo, la temperatura en la posición T 3 aumenta inmediatamente, lo que se debe a la propagación de las llamas. En comparación con las posiciones T 2 y T 3, la distancia en línea recta entre T 4 y T 1 es la mayor. Si se calcula en función del tamaño máximo de la célula de la batería, el intervalo entre T 4 y T 1 es de unos 99 mm, la diferencia de tiempo de ignición es de 89 s y la velocidad de propagación de la combustión es de unos 1,1 mm/s.

Después de que se incendie un paquete de baterías de litio, experimentará fenómenos como la pulverización y la explosión, durante los cuales la temperatura seguirá aumentando y finalmente entrará en la fase de combustión general. La temperatura máxima de combustión del pack de baterías supera los 700 ℃.

Cuando se calienta el lateral del pack de baterías de litio, se ha ajustado la posición de medición del par térmico, dispuesta de cerca a lejos en relación con la posición de la fuente de calor por radiación, y se ha ajustado la curva típica del historial de temperatura medida en el experimento.

En comparación con la condición de calentamiento inferior, existen algunas diferencias significativas en la distribución de la temperatura cuando se calienta el lateral del pack de baterías de litio. Aunque hay varios picos de temperatura, lo que significa que se encuentra en un estado de combustión de llama abierta en este momento, la distribución del pico de temperatura en el calentamiento inferior se produce durante un período de tiempo más largo. Esto se debe principalmente a que las condiciones de calentamiento del pack de baterías de litio son diferentes en las dos condiciones de trabajo.

Cuando se calienta la parte inferior, el electrodo negativo de la celda de la batería de litio se calienta continuamente, y la mayoría de las celdas de batería calentadas directamente acelerarán las reacciones químicas en un período de tiempo más concentrado. Tras perder el control del calor, se incendiarán y acabarán presentando un fenómeno de combustión general. Sin embargo, cuando se calientan lateralmente, la posición más alejada de la fuente de calor, como la T 4, recibirá menos calor, y la temperatura no aumentará significativamente hasta el final de la combustión, Esto se debe principalmente a que cuando la batería se calienta lateralmente, presenta un patrón de propagación de la combustión de derecha a izquierda, y se producirán fenómenos de extinción y reignición en el centro. Sin un calentamiento externo continuo, esta forma de combustión es difícil de conseguir una propagación continua de la combustión.

Además, puede observarse que la temperatura de ignición en T 1 durante el encendido es de unos 90 ℃, que es inferior a cuando se calienta el electrodo negativo inferior, y la temperatura más alta después del encendido es también de unos 550 ℃, que es significativamente inferior a cuando se calienta la parte inferior. Los resultados del análisis de temperatura anterior indican que, en comparación con el calentamiento lateral, el electrodo negativo de la parte inferior del pack de baterías de litio experimenta una combustión más grave debido al desbocamiento térmico cuando se calienta, que se manifiesta específicamente en una mayor área de propagación de la combustión y una mayor temperatura de la llama.

Los cambios de temperatura en la condición de trabajo 3, en comparación con la condición de trabajo 1, son todos de calentamiento en la parte inferior, con la diferencia de que la potencia de calentamiento ha aumentado a 2 kW. Al mismo tiempo, en medio de la combustión, se enciende agua nebulizada para extinguir el fuego y probar su capacidad de extinción y enfriamiento. Se puede observar que a medida que aumenta la potencia calorífica, se adelanta el tiempo de ignición. La razón es obvia. Cuanto mayor sea el calor externo recibido, más intensa será la reacción química en el interior de la célula de la batería, y el desbocamiento térmico dará lugar a un tiempo de ignición más corto.

Sin embargo, durante la ignición, no hubo diferencias significativas de temperatura entre T 1 y las condiciones de funcionamiento de menor potencia, sino entre 120 y 139 ℃. Además, las temperaturas en las posiciones T 2, T 3 y T 4 en la condición de funcionamiento 3 son inferiores a las de una potencia calorífica de 1 kW. Esto puede indicar que, bajo la influencia del calor de radiación externa, el paquete de baterías de litio sólo se encenderá y arderá cuando la temperatura se eleve a un rango específico.

Cabe señalar que las temperaturas de ignición indicadas en la Tabla 2 pueden no ser la temperatura mínima de ignición obtenida debido a la limitación de los puntos de recogida. Sin embargo, esto puede demostrar en cierta medida la necesidad de controlar en tiempo real los cambios de aumento de temperatura de cada célula de la batería mediante un sistema de gestión de la batería. Mediante el establecimiento de un umbral de temperatura, una vez que el aumento de la temperatura local del paquete de baterías de litio supere este valor, se iniciarán medidas de advertencia y prevención para evitar que todo el paquete de baterías se incendie debido a un embalamiento térmico.

La duración total de la combustión es de 218 s desde el inicio de la ignición en t=780 s hasta el inicio de la nebulización de agua en t=998 s. Después de encender la nebulización de agua para extinguir el fuego, la temperatura en T 3 y T 4 desciende rápidamente. Tras una pulverización continua durante 30 s, la temperatura desciende por debajo de 100 ℃. Cuando se interrumpe la pulverización, no se produce una nueva combustión. Los resultados experimentales muestran que el agua nebulizada puede suprimir eficazmente el fuego, enfriarlo y evitar que se reavive.

En comparación con la extinción de incendios por gas, el agua nebulizada puede ser un buen medio de extinción que puede enfriar continuamente las baterías de iones de litio en llamas. Sin embargo, también debe tenerse en cuenta que en aplicaciones prácticas, las manchas de agua generadas por el agua nebulizada pueden causar grandes daños en los equipos y daños secundarios. Además, el agua nebulizada con un gran diámetro de gota también puede provocar cortocircuitos o descargas en las baterías, exacerbando el desbocamiento térmico y aumentando la escala de los incendios, Por lo tanto, la selección específica de los métodos de extinción de incendios debe analizarse en función del objeto de extinción. Y la base de estas aplicaciones específicas son los datos experimentales, por lo que es muy necesario seguir realizando experimentos de extinción de incendios a mayor escala, especialmente a escala real, para estudiar las características de combustión de los paquetes de baterías de litio y probar la eficacia de los distintos métodos de extinción de incendios.

3 Conclusión

En este artículo se realizan pruebas de combustión en paquetes de baterías ternarias de iones de litio 18650 inducidas por calentamiento, y se obtienen las siguientes conclusiones.

(1) En comparación con el sobrecalentamiento lateral, cuando el electrodo negativo de la parte inferior de un pack de baterías de litio se sobrecalienta, el grado de combustión es más severo, y la batería se pulverizará y quemará continuamente. En el caso del sobrecalentamiento lateral, la intensidad de la combustión en los paquetes de baterías de litio se debilitará con el aumento de la distancia a la fuente de calor, y se producirán múltiples fenómenos de reignición intermitente. Además, un aumento de la potencia de la fuente de calor acortará el tiempo de ignición de los paquetes de baterías de litio y aumentará su intensidad de combustión.

(2) Los resultados de las pruebas muestran que la temperatura de fuga térmica del electrodo negativo inferior del pack de baterías de litio ternarias se sitúa entre 120~139 ℃ cuando se sobrecalienta. En estas condiciones, la temperatura máxima de combustión aumentará con el incremento de la potencia de la fuente de calor, y la temperatura máxima puede alcanzar los 800 ℃.

(3) La aplicación de niebla de agua pura a la batería de litio en llamas puede suprimir eficazmente el fuego y reducir la temperatura. La pulverización continua puede reducir la temperatura de la batería por debajo de la temperatura crítica sin reignite. Esto indica que el agua nebulizada puede ser un método de extinción eficaz para los incendios de baterías de iones de litio, pero su aplicación puede acarrear daños secundarios como la contaminación del agua y la descarga por cortocircuito, por lo que se requiere una selección cuidadosa en función de las necesidades de extinción.