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La importancia de la seguridad de las baterías de iones de litio - Parte 1

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La importancia de la seguridad de las baterías de iones de litio - Parte 1

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Las baterías de iones de litio destacan entre los dispositivos químicos de almacenamiento de energía por su elevada densidad energética, su alta densidad de potencia y su larga vida útil. Se han utilizado ampliamente en el campo de los productos electrónicos portátiles gracias a su tecnología madura. Con el apoyo de las políticas nacionales, la demanda de baterías de iones de litio en los campos de los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energía a gran escala también está experimentando un crecimiento explosivo.

En general, las baterías de iones de litio son seguras, pero hay informes de accidentes de seguridad que se presentan al público. Ejemplos famosos son los incendios de baterías en aviones Boeing 737 y B 787 en los últimos años, así como los incendios del Tesla Model S. Hasta ahora, la seguridad sigue siendo un factor clave que restringe la aplicación de las baterías de iones de litio en campos de alta energía y potencia. El desbordamiento térmico no sólo es la causa fundamental de los problemas de seguridad, sino también una de las deficiencias que limitan el rendimiento de las baterías de iones de litio.

Los posibles problemas de seguridad de las baterías de iones de litio afectan enormemente a la confianza de los consumidores. Aunque se espera que los BMS puedan controlar con precisión las condiciones de seguridad y predecir la aparición de determinados fallos, la situación de embalamiento térmico es compleja y diversa, y es difícil que un único sistema técnico garantice todas las condiciones de seguridad a las que se enfrenta durante su ciclo de vida. Por lo tanto, sigue siendo necesario analizar y estudiar las causas del desbordamiento térmico para conseguir una batería de iones de litio segura y fiable.

Se han realizado muchos estudios relacionados con las reacciones químicas implicadas en la aparición del desbordamiento térmico en el análisis térmico, y este artículo no profundizará en ello. Este artículo toma como pista la vida útil de las baterías de potencia para explicar y analizar los factores y soluciones que limitan el rendimiento de seguridad de una batería de iones de litio durante su ciclo de vida, con el fin de proporcionar una base valiosa para el estudio de los problemas de seguridad.

1 Material de la célula de la batería

La composición interna de las baterías de iones de litio consiste principalmente en el electrodo positivo, el electrolito, el separador y el electrodo negativo. Sobre esta base, se sueldan las orejas de los electrodos y se envuelve el embalaje exterior para formar una célula de batería completa. Tras los pasos iniciales de carga y descarga, formación y separación de capacitancia de la célula de batería, ésta puede utilizarse en fábrica. El primer paso de este proceso es la selección de los materiales. Los principales factores que afectan a la seguridad de los materiales son su energía orbital intrínseca, su estructura cristalina y las propiedades del material

1.1 Material del electrodo positivo

El papel principal de los materiales activos de electrodo positivo en las baterías es contribuir a la capacidad específica y la energía específica, y su potencial intrínseco de electrodo tiene un cierto impacto en la seguridad. En los últimos años, el fosfato de hierro y litio, un material de media y baja tensión, se ha utilizado ampliamente como material de electrodo positivo para las baterías de potencia de los vehículos de transporte (como los vehículos eléctricos híbridos (HEVS) y los vehículos eléctricos EVS) y los dispositivos de almacenamiento de energía (como los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) en todo el mundo.

Sin embargo, la ventaja de seguridad demostrada por el fosfato de hierro y litio en muchos materiales es en realidad a costa de sacrificar la densidad energética, lo que restringe la resistencia de sus usuarios (como EVS, UPS). Aunque los materiales ternarios exhiben una excelente densidad energética, como materiales ideales de electrodos positivos para baterías de potencia, sus problemas de seguridad no se han abordado plenamente.

Para estudiar el comportamiento térmico de los materiales de electrodos positivos, los investigadores han trabajado mucho y han descubierto que el potencial intrínseco del electrodo y la estructura cristalina son los principales factores que afectan a su seguridad. Por ejemplo, la coincidencia perfecta entre el potencial del material de electrodo positivo y el orbital molecular más alto ocupado por el HOMO del electrolito afecta directamente a la estabilidad del electrolito;

La temperatura inicial y la liberación de calor de las reacciones entre distintos materiales de electrodos positivos y electrolitos pueden variar en función de si varios iones de litio pueden atravesar sin problemas la red simultáneamente. Mediante la selección de los tipos de materiales y el dopaje de elementos, la selección de materiales que coincidan con la ventana electroquímica del potencial y el electrolito, tengan temperaturas de reacción iniciales más altas y una liberación de calor de reacción más baja, se puede mejorar el rendimiento de seguridad de la celda de la batería desde la perspectiva de los materiales activos del electrodo positivo.

1.2 Materiales de electrodos negativos

El impacto de los materiales activos del electrodo negativo en el rendimiento de la seguridad procede principalmente de su relación intrínseca entre la energía orbital y la configuración del electrolito. Durante el proceso de carga rápida, la velocidad de paso de los iones de litio a través de la película SEI puede ser inferior a la velocidad de deposición del litio en el electrodo negativo. Las dendritas de litio seguirán creciendo con los ciclos de carga y descarga, lo que puede causar cortocircuitos internos y encender electrolitos combustibles, provocando un embalamiento térmico. Esta característica limita la seguridad del electrodo negativo durante el proceso de carga rápida.

Además del crecimiento de dendritas de litio, la reacción entre el material del electrodo negativo y el electrolito también es un factor importante que afecta al rendimiento de seguridad. Alrededor de 100 ℃, se observan picos exotérmicos de grafito embebido en litio y electrolito, lo que también se considera una reacción de descomposición de la película SEI. La velocidad de reacción aumenta con el incremento de la superficie específica del material del electrodo negativo.

Tras la descomposición de la película SEI, el litio incrustado en el electrodo negativo seguirá reaccionando con el electrolito y el aglutinante para liberar calor, y el calor de reacción aumenta con el incremento de la cantidad de inserción de litio. Al mejorar la estabilidad térmica de SEI, reducir la superficie específica de los materiales de electrodo negativo y reducir la cantidad de litio incrustado, también se puede mejorar el rendimiento de la célula de la batería desde la perspectiva de los materiales de electrodo negativo.

1.3 Electrolitos y membranas

El impacto de los electrolitos y los separadores en la seguridad se debe principalmente a sus características. Aunque la estabilidad térmica de las sales de litio es un factor fundamental que afecta a la estabilidad térmica de los electrolitos, su impacto en el rendimiento de seguridad de las baterías es limitado debido a su calor de reacción de descomposición relativamente pequeño. La inflamabilidad y el estado líquido de los electrolitos comerciales más utilizados son factores importantes que afectan a la seguridad.

Además, el uso de electrolitos con ventanas electroquímicas más amplias (especialmente LUMO más alto) y la adición de materiales ignífugos al electrolito, como la modificación de líquidos iónicos mixtos y electrolitos líquidos orgánicos para convertirlos en electrolitos no inflamables, son formas eficaces de mejorar la seguridad. La resistencia mecánica (resistencia a la tracción y a la perforación), la porosidad, la uniformidad del espesor y la temperatura de ruptura de la membrana son factores importantes que determinan su seguridad.

La aplicación de revestimientos cerámicos en los diafragmas puede aumentar la resistencia mecánica de la membrana original, permitiendo que el diafragma muestre un excelente rendimiento en cuanto a resistencia a altas temperaturas, resistencia a la perforación y reducción del espesor. La temperatura a la que se cierra la estructura microporosa, ya sea demasiado alta o demasiado baja, puede afectar al rendimiento de la célula de la batería. Por lo tanto, es necesario considerar exhaustivamente la composición del polímero de la membrana y la configuración óptima de la estructura porosa, garantizando al mismo tiempo que la temperatura de ruptura sea superior a la temperatura de interrupción.