{{{sourceTextContent.title}}}

Prueba de envejecimiento a alta temperatura de baterías de litio

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Prueba de envejecimiento a alta temperatura de baterías de litio

{{{sourceTextContent.description}}}

1 Antecedentes de la investigación

Con el fin de responder eficazmente a los cambios adversos del medio ambiente y el clima, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y alcanzar cuanto antes los objetivos del pico de carbono y la neutralidad de carbono, la estructura energética se está transformando rápidamente. La electrificación de los automóviles desempeña un papel crucial en esta revolución energética. Las baterías de potencia son los principales portadores de almacenamiento de energía para los vehículos eléctricos, ampliamente utilizados por sus ventajas de alta energía y larga vida útil. Sin embargo, en las aplicaciones reales de los vehículos, el estado interno de la batería cambia, lo que provoca una disminución de su rendimiento y un cambio en su ventana de trabajo seguro.

Las condiciones de uso, especialmente la temperatura, tienen un impacto significativo en la seguridad térmica de las baterías. En la actualidad, las altas temperaturas del verano suponen un serio desafío para el uso seguro de las baterías. Los vehículos eléctricos expuestos a un sol abrasador experimentarán temperaturas de batería extremadamente altas durante la carga, lo que tiene un grave impacto en el uso seguro de las baterías. Este trabajo explora la evolución de la seguridad térmica de las baterías ternarias de iones de litio con alto contenido en níquel ampliamente utilizadas en condiciones de uso a altas temperaturas, revelando la ley de evolución de la seguridad térmica de las baterías de iones de litio.

2 Contenido de la investigación

Se ha realizado un estudio sobre la seguridad térmica de las baterías de ión-litio NMC631 soft pack durante el envejecimiento cíclico a alta temperatura. Se realizó una prueba adiabática de generación de calor por descarga, una prueba adiabática de embalamiento térmico y una prueba adiabática de sobrecarga cuando el SOH de la batería descendía al 100%, 90% y 80%, respectivamente. El impacto del envejecimiento a altas temperaturas en el rendimiento de seguridad térmica de la batería se analizó desde múltiples perspectivas.

3 Resultados de la investigación

(1) rendimiento electrónico-químico

Durante el proceso de envejecimiento a alta temperatura, la batería muestra un patrón de decaimiento lineal aproximado en las primeras etapas del envejecimiento. Pero a medida que aumenta el número de ciclos, el SOH de la batería acelera su decaimiento. Al mismo tiempo, el espectro de impedancia de la batería también experimenta cambios significativos con el envejecimiento. A medida que aumenta el grado de envejecimiento, el espectro de impedancia se desplaza gradualmente hacia la derecha y la impedancia óhmica aumenta gradualmente.

Además, debido a la aparición continua de reacciones laterales en la interfaz electrolito-electrodo durante el proceso de envejecimiento a alta temperatura, la impedancia de máscara facial y la impedancia de transferencia de carga de la interfaz de la batería también aumentaron rápidamente, lo que se mostró como un aumento significativo entre los arcos de las partes de frecuencia media y alta. Además, con la disolución de los metales de transición y los cambios en la estructura del cátodo, la difusión de los iones de litio en el interior del electrodo se dificulta, y la impedancia de Weber también aumenta significativamente.

(2) Características de generación de calor por descarga adiabática

Durante el proceso de envejecimiento por ciclos a alta temperatura, se produce continuamente la degradación interna de la batería, como la descomposición continua del electrolito y el engrosamiento de la película SEI. Estas degradaciones hacen que la impedancia de la batería aumente continuamente, lo que provoca un cambio en la velocidad de aumento de la temperatura durante la descarga adiabática de la batería.

Debido a la ligera degradación que se produce en el interior de la batería durante la fase inicial del envejecimiento cíclico a alta temperatura, la velocidad de aumento de la temperatura de la batería no cambia significativamente durante todo el proceso de descarga. En este punto, la capacidad juega un papel importante, y el deterioro de la capacidad conduce a una disminución del aumento de temperatura durante todo el proceso de descarga. Tras un envejecimiento profundo de la batería, se produce una grave degradación en su interior, lo que provoca un aumento significativo de la velocidad de aumento de la temperatura durante la descarga adiabática.

En este punto, la tasa de aumento de la temperatura desempeña un papel importante, ya que aunque la capacidad de la batería disminuye, el aumento general de la temperatura aumenta significativamente. Por lo tanto, a medida que disminuye la capacidad de la batería, el aumento de temperatura de la batería durante la descarga adiabática muestra una tendencia primero decreciente y luego creciente.

(3) Características del embalamiento térmico adiabático

Las temperaturas características del embalamiento térmico de la batería incluyen la temperatura inicial del calor autogenerado T1, la temperatura desencadenante del embalamiento térmico T2 y la temperatura máxima T3. A medida que aumenta el grado de envejecimiento de la batería, T1 y T2 disminuyen continuamente, lo que indica que el envejecimiento a altas temperaturas reduce la estabilidad térmica de la batería. La disminución de T1 se debe principalmente a que la alta temperatura modifica la composición de la membrana SEI, lo que a su vez provoca una disminución de su estabilidad térmica;

Y T2 se debe principalmente a la disminución de la estabilidad térmica de los sistemas de reacción del ánodo y el cátodo. Además, se llevó a cabo un análisis adicional de ajuste de la energía de activación en la etapa T1-T2, y los resultados del ajuste mostraron que la energía de activación de la batería disminuía significativamente con el envejecimiento dentro de este rango de temperatura, lo que indicaba además que el envejecimiento a altas temperaturas conducía al deterioro de la estabilidad térmica de la batería.

Además, a medida que se profundiza en el grado de envejecimiento, disminuyen la temperatura máxima y la velocidad máxima de aumento de la temperatura de embalamiento térmico de la batería. Y se produce una meseta exotérmica en la curva de la tasa de aumento de la temperatura. A medida que se profundiza el envejecimiento, la longitud de la plataforma exotérmica se acorta gradualmente. Estos fenómenos indican que el daño del desbocamiento térmico disminuye gradualmente con el envejecimiento de la batería. Esto se atribuye principalmente al consumo continuo de sustancias activas dentro de la batería durante el proceso de envejecimiento cíclico a alta temperatura, como la pérdida de litio activo y el consumo de electrolito.

Esto reduce la cantidad de participación en reacciones químicas violentas durante el proceso de embalamiento térmico severo, lo que resulta en una disminución de la energía liberada, una disminución de la intensidad de la reacción, una disminución de la temperatura máxima y de la velocidad máxima de aumento de la temperatura, y una duración más corta de la plataforma de liberación de calor.

(4) Características de embalamiento térmico de la sobrecarga adiabática

En el proceso de embalamiento térmico debido a la sobrecarga, el calor generado por las baterías envejecidas durante este proceso es inferior al de las baterías nuevas. Para el calor total generado por la sobrecarga y el embalamiento, el calor de reacción química y el calor de cortocircuito interno son las principales fuentes de calor. A medida que avanza el envejecimiento, esta porción de calor disminuye. Debido al aumento de la impedancia de la batería durante el envejecimiento a alta temperatura, el tiempo de sobrecarga a Vip es similar.

Por lo tanto, se puede observar que el calor óhmico y el calor reversible de las baterías envejecidas son mayores que los de las baterías nuevas. Para el disparo por embalamiento térmico de las baterías envejecidas, se necesita menos energía, por lo que se requiere menos calor de reacción lateral durante este proceso. Por lo tanto, a medida que la batería envejece, la tasa de contribución del calor de reacción lateral disminuye debido al desencadenamiento del embalamiento térmico.