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Prueba de embalamiento térmico de baterías de litio

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Prueba de embalamiento térmico de baterías de litio

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En los actuales productos comerciales de baterías de iones de litio, el proceso de carga y descarga de la batería suele ir acompañado de la generación de calor. Si la batería genera demasiado calor durante el proceso de carga y descarga y no puede disiparlo a tiempo, puede producirse una degradación significativa y un deterioro del rendimiento de la batería debido a la acumulación de calor durante la carga y descarga. Cuando la temperatura aumenta hasta el punto de que el separador interno de la batería se funde, provocando un cortocircuito entre los electrodos positivo y negativo, la batería puede presentar un riesgo de explosión y otros peligros. Por lo tanto, estudiar la ley de generación de calor y el comportamiento de fuga térmica de las baterías durante la carga y la descarga es crucial para examinar la seguridad de las baterías.

Normalmente, durante el uso de una batería, la temperatura de la misma aumenta significativamente debido al intercambio de calor entre la convección del aire, la conducción del calor y el entorno circundante. Pero para estudiar el rendimiento de seguridad de las baterías, es necesario considerar el comportamiento de generación de calor de las baterías en entornos extremadamente duros: los entornos adiabáticos. En un entorno aislado, no hay intercambio de calor entre la batería y el entorno, y el calor generado durante el proceso de carga y descarga de la batería está completamente limitado dentro del sistema de la batería, lo que es más probable que cause riesgos para la seguridad de la batería.

La generación de calor durante el proceso de carga y descarga de las baterías de iones de litio puede dividirse a grandes rasgos en dos partes: calor reversible (Qrev) y calor irreversible (Qirr). Midiendo el efecto térmico de una batería en estado adiabático, no sólo se puede entender la ley de generación de calor de la batería durante la carga y la descarga, sino que también se puede calcular el balance energético de la batería durante la carga y la descarga. Los investigadores utilizaron diferentes métodos, como la calorimetría y la electroquímica, para obtener el calor reversible e irreversible de las baterías, y desarrollaron un modelo de generación de calor y un método de simulación térmica para las baterías de automoción. La calorimetría acelerada es un método de ensayo y análisis de la seguridad térmica de muestras en condiciones aproximadamente adiabáticas.

Con el uso generalizado de las baterías de iones de litio, por un lado, aumentan gradualmente los requisitos de vida útil y seguridad de las baterías; por otro, la utilización en cascada de las baterías también debe tener en cuenta sus características de seguridad. Por lo tanto, es urgente estudiar las características de seguridad de las baterías de ciclo de vida, aclarar las condiciones límite de seguridad y la relación de eficiencia energética de las baterías a lo largo de todo su ciclo de vida. Hasta ahora se han realizado muchos estudios sobre las características térmicas de las pilas nuevas, pero pocos sobre el impacto del envejecimiento en la seguridad de las pilas. El envejecimiento general puede dividirse en dos tipos: envejecimiento cíclico y envejecimiento por almacenamiento.

Los investigadores utilizaron la calorimetría para estudiar las características de envejecimiento y fuga térmica de las baterías de iones de litio en distintos procesos de almacenamiento. Descubrieron que los parámetros clave del desbordamiento térmico, como la temperatura de inicio exotérmica y la temperatura de inicio del desbordamiento térmico, aumentan con el envejecimiento de la batería, mientras que la tasa de desbordamiento térmico disminuye. Los investigadores también han estudiado el comportamiento de abuso térmico de baterías de iones de litio en funcionamiento y averiadas en condiciones de envejecimiento cíclico, almacenamiento a alta temperatura y almacenamiento a temperatura ambiente, y han detectado el proceso de explosión de gas y los gases tóxicos emitidos tras el abuso.

Este artículo toma como objeto de investigación las baterías de óxido de litio-cobalto, utiliza un calorímetro de tasa acelerada (ARC) para proporcionar un entorno adiabático, prueba la capacidad calorífica específica, la generación de calor y el desbocamiento térmico de las baterías, y estudia las características térmicas. Estudiar los procesos de carga y descarga y los procesos de fuga térmica de las baterías en entornos adiabáticos bajo diferentes ciclos de envejecimiento cíclico, e investigar la influencia del envejecimiento cíclico en las características térmicas de las baterías.

1 Ensayo

La batería adopta un paquete blando con óxido de cobalto de litio (LCO) como electrodo positivo y microesferas de carbono mesofásico (CMS) como electrodo negativo, con una capacidad de 6,1 Ah y una tensión de trabajo de 3,6 V

1.1 Pruebas de rendimiento electroquímico

Pruebas de capacidad

La temperatura de ensayo es de (25 ± 5) ℃, y para las pruebas se utiliza un sistema de ensayo de carga y descarga. La batería se carga a 4,2 V con una corriente de 0,1 C, luego se cambia a carga de voltaje constante con una corriente completa inferior o igual a 0,01 C, y se deja reposar durante 10 minutos; Descargue la batería con una corriente constante de 0,1 C a 2,75 V, y repita los ciclos de carga y descarga tres veces para obtener una capacidad de descarga de 6,1 Ah.

Pruebas en bucle

A una temperatura ambiente de (25 ± 5) ℃, cargue la batería con una corriente de 0,5 C a 4,1 V y, a continuación, cambie a una tensión constante hasta que la corriente sea inferior o igual a 0,01 C, déjela reposar durante 10 minutos y, a continuación, descárguela con una corriente constante de 1 C a 2,75 V. Realice ciclos de 500, 1000 y 1500 ciclos según este sistema.

Prueba de resistencia interna de CC

A una temperatura ambiente de (25 ± 5) ℃, descargue la batería a una corriente constante de 0,5 C y realice una prueba continua de resistencia interna de CC cada 12 minutos de descarga (10% DOD). Utilizando una corriente de 1,5 C para una descarga pulsante de 10 segundos, se toman los valores de tensión antes y en el 5º segundo de la descarga pulsante para calcular la resistencia interna R de CC de la batería en diferentes estados de carga.

1.2 Ensayo de las características térmicas de la batería

Ensayo de capacidad calorífica específica

Realice una prueba de capacidad calorífica específica de la batería en un calorímetro acelerado. La batería se encuentra siempre en un entorno adiabático, calentada por un elemento calefactor de potencia constante, y se registra la curva de temperatura de la batería a lo largo del tiempo. La tasa de aumento de temperatura de la batería en estado adiabático se obtiene ajustando linealmente la curva. Para garantizar la precisión de la medición, se toman dos muestras de la batería y se calcula la media de las dos pruebas.

Prueba de generación de calor

Se colocan baterías nuevas o en ciclo en un calorímetro acelerado, se equilibra la temperatura entre la batería y la cámara adiabática y se pone en marcha el sistema de carga y descarga. La carga y la descarga se llevan a cabo en un entorno adiabático a diferentes corrientes de funcionamiento, y se recogen la temperatura de la superficie de la batería y la curva de la tensión de la batería a lo largo del tiempo durante el proceso de carga y descarga

Ensayo de embalamiento térmico

Realice una prueba de embalamiento térmico de la batería al 100% de SOC en un calorímetro acelerado, ejecute el modo H-W-S en estado adiabático para calentar la batería y detecte simultáneamente la velocidad de autocalentamiento de la batería. Cuando la velocidad de autocalentamiento de la batería es ≥ 0,02 ℃/min, se considera que se ha producido una reacción de autocalentamiento en el interior de la batería. El instrumento deja de calentar activamente y entra en modo adiabático, siguiendo el aumento de temperatura de la batería hasta que se produce el desbordamiento térmico. Recoge simultáneamente la temperatura superficial de la batería y la curva de variación de la tensión de la batería en el tiempo durante el proceso de desbocamiento térmico.

2 Conclusiones

Se estudió la generación de calor y el comportamiento de fuga térmica durante el proceso de carga y descarga de baterías LCO / CMS utilizando un calorímetro adiabático acelerado. Estudiamos el comportamiento de generación de calor de las baterías a diferentes velocidades de carga y descarga, y analizamos los efectos de la corriente de trabajo y el envejecimiento cíclico en las características de generación de calor de las baterías. Con el envejecimiento cíclico de la batería, aumentan la resistencia interna y la pérdida de capacidad de la batería, y aumentan tanto la tasa media de generación de calor de carga y descarga como la generación total de calor de la batería.

Al comparar el comportamiento de fuga térmica de las baterías antes y después del envejecimiento cíclico, se observó que la temperatura inicial de autocalentamiento aumentaba ligeramente tras el envejecimiento cíclico, mientras que la temperatura inicial de fuga térmica permanecía básicamente inalterada. Sin embargo, el tiempo transcurrido desde el autocalentamiento hasta la fuga térmica de las baterías se acortó. En cuanto al comportamiento de las baterías en caso de fuga térmica, no sólo es necesario prestar atención a los puntos clave de temperatura, como la temperatura de inicio del autocalentamiento y la temperatura de fuga térmica, sino también medir con precisión la tasa de generación de calor y el tiempo del proceso de fuga térmica, con el fin de evaluar el comportamiento de fuga térmica de las baterías a lo largo de todo su ciclo de vida.

Mediante el análisis de los cambios en la generación de calor y la tasa de generación de calor durante el proceso de carga y descarga de las baterías bajo diferentes ciclos de envejecimiento, se analizan los efectos de los cambios de entropía y entalpía en las baterías. Los cambios en los parámetros termodinámicos se utilizan como método de ensayo no destructivo para reflejar el grado de degradación de las baterías y evaluar su estado de salud.