{{{sourceTextContent.title}}}

Prueba de temperatura de la batería de iones de litio

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Prueba de temperatura de la batería de iones de litio

{{{sourceTextContent.description}}}

Las baterías de litio, especialmente las de iones de litio, se han utilizado ampliamente en diversos campos. Aunque las baterías de iones de litio se han desarrollado rápidamente y su uso está muy extendido, si surgen problemas de seguridad, las consecuencias serán muy graves. Las primeras baterías de litio utilizaban litio metálico en el electrodo negativo, que era propenso a las dendritas de litio e incluso a la corrosión durante la carga. Esto acortaba considerablemente el tiempo de ciclo y la vida útil de la batería y, en casos graves, podía incluso provocar cortocircuitos o explosiones.

Mediante la búsqueda de literatura en línea sobre patentes de baterías de litio y el análisis de los indicadores técnicos relevantes de las baterías de litio desde una perspectiva metrológica, los resultados del análisis muestran que el volumen de aplicaciones en el campo de las baterías de litio ha mostrado una rápida tendencia de crecimiento en los últimos años.

En este artículo se obtienen los parámetros característicos básicos de las baterías de iones de litio mediante pruebas experimentales básicas, y se establece un modelo electroquímico de las baterías de iones de litio utilizando el software de simulación numérica Comsol, verificando la precisión del modelo. Sobre esta base, combinada con algunas ecuaciones electroquímicas, se analizaron mediante simulación los cambios de tensión de las baterías de litio en diferentes entornos.

El principal objetivo de investigación y contenido de este artículo es analizar la influencia de la temperatura y el radio de las partículas del electrodo negativo en el rendimiento de carga y descarga de las baterías de litio. Utilizando el software de modelado Comsol, se estudió la influencia de la temperatura y el radio de las partículas del electrodo negativo en el rendimiento de carga y descarga de las baterías de litio mediante el método de variable de control, manteniendo constantes las demás variables.

1 Principio de funcionamiento de las baterías de litio

Cuando se carga la batería, se genera ión-litio en el electrodo positivo y se desplaza a través del electrolito hasta el electrodo negativo. La estructura formada por carbono en el electrodo negativo tiene muchos poros, y los iones de litio que lleguen al electrodo negativo se incrustarán en los microporos de la capa de carbono. La capacidad de carga está positivamente correlacionada con el número de iones de litio incrustados.

Cuando la batería se descarga, los iones de litio incrustados en la capa de carbono del cátodo salen, entran en el electrolito, penetran en la película de polímero y finalmente se incrustan en el material activo del electrodo positivo. Finalmente, cuantos más iones de litio regresen al electrodo positivo, mayor será la capacidad de descarga. De hecho, el proceso de descarga se consigue mediante el comportamiento de desincrustación e incrustación de los iones de litio en los materiales activos bipolares. Por ello, la capacidad de la batería suele denominarse "capacidad de descarga".

2 La influencia de la temperatura

Debido a la influencia de la temperatura externa en las características de carga y descarga de las baterías de litio, se utiliza como variable para observar la tensión de descarga de la misma batería a diferentes temperaturas para determinar su rendimiento y medir su capacidad de trabajo.Este modelo estudió las imágenes de la curva de tensión de la batería a 300 K y 500 K.

Para dos curvas, se descubrió que al cambiar la temperatura de 300 K a 500 K, la tensión en el punto más alto aumentaba en casi 0,1 V, mientras que la tensión en el punto más bajo disminuía en casi 0,1 V. Otras observaciones y comparaciones de las curvas revelaron que durante la fase inicial de descarga, la tensión de la batería de litio disminuía rápidamente, y la pendiente de la curva de tensión disminuía; al final de la descarga, la curva de tensión cae bruscamente y finalmente desciende hasta la tensión de corte.

Mediante el análisis, se descubrió que la curva de tensión de la descarga de la batería experimenta cambios significativos a diferentes temperaturas. En las mismas condiciones, a medida que disminuye la temperatura, disminuye la tensión de descarga inicial y se acorta el tiempo de descarga. Por lo tanto, la tensión cae bruscamente en la fase inicial de la descarga, luego disminuye lentamente y, debido al aumento de la resistencia interna, la temperatura interna aumenta con la descarga, lo que provoca un aumento de la conductividad iónica del electrolito.

Al final de la descarga, la tensión cae bruscamente porque la concentración de reactivos negativos disminuye y la cantidad de iones de litio incrustados en la estructura positiva del electrodo aumenta, lo que provoca el final de la reacción. A medida que disminuye la temperatura ambiente, aumenta la velocidad de disminución de la tensión. Cuando se descarga una pila de litio, los iones de litio quedan incrustados en el cátodo.

Cuantos más iones de litio se incrustan, más cargas se liberan, y la tensión disminuirá en consecuencia. Del mismo modo, durante el proceso de carga, cuantos más iones de litio se retiren del ánodo, más carga se cargará, y el voltaje aumentará en consecuencia. Sin embargo, a medida que la temperatura siga disminuyendo y la viscosidad del electrolito siga aumentando, la migración de los iones de litio se hará muy difícil, lo que provocará una disminución gradual de la cantidad de migración.

3 La influencia del tamaño del radio de las partículas del electrodo negativo

A una determinada temperatura, se puede observar a partir de los cambios en el voltaje de la batería y la densidad de corriente aplicada de la batería que, bajo la condición de 300 K de temperatura, el común de las baterías de iones de litio es el siguiente: la pendiente de la curva de voltaje es alta en la etapa de descarga inicial, y el cambio en la pendiente es lento. Finalmente, desciende hasta la tensión de corte a un ritmo fijo y luego cambia repentinamente.

Al final de la descarga, la pendiente de la caída de tensión primero aumenta y luego disminuye. Durante el proceso de descarga, los iones de litio se incrustan en el electrodo negativo, liberando más carga y provocando una disminución de la tensión. Por el contrario, durante la carga, se incrustan iones de litio positivos, lo que hace que se liberen más cargas y se produzca un aumento de la tensión.

Analizando los datos sobre los diferentes radios de las partículas del electrodo negativo, se puede concluir que a medida que disminuye el radio de las partículas del electrodo negativo, cuando la densidad de corriente de la unidad de batería utilizada es la misma y cercana a cero, cuanto menor es el radio de las partículas del electrodo negativo, menor es la tensión de la batería y menor es la tensión interna de la batería. Por lo tanto, la vida útil de la batería es mayor en comparación con las baterías con partículas de electrodo negativo más grandes.

4 Conclusión

Utilizando el software de modelado adecuado, el rendimiento de la carga y descarga de las baterías de iones de litio puede estudiarse con detalle y precisión desde lo macro a lo micro, desde los experimentos a los modelos. Este artículo comienza con la reacción electroquímica de las baterías de iones de litio y extrae las siguientes conclusiones:

(1) La temperatura puede afectar a las sustancias activas internas y a la viscosidad del electrolito de las baterías de iones de litio, alterando así la eficacia de la carga y la descarga.

(2) El tamaño del radio de las partículas del electrodo negativo afectará a la desconexión entre las partículas y el electrodo negativo, afectando además a la eficiencia de la conductividad y, en última instancia, a la eficiencia de la carga y la descarga.