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Seguridad de las pilas de iones de litio - Parte 1

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Seguridad de las pilas de iones de litio - Parte 1

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Las baterías de iones de litio son las últimas y más rápidas baterías de alto rendimiento comercializadas. En la actualidad, las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente como nuevas fuentes de energía en diversos campos debido a sus ventajas únicas. Las baterías de iones de litio tienen las características de alto voltaje, alta energía específica y buen rendimiento cíclico, y se utilizan cada vez más en el mercado de las pilas 3 C, el mercado de los vehículos eléctricos (V E) y los vehículos eléctricos híbridos (VEH), las aplicaciones de automoción y la tecnología espacial. Aunque la seguridad de las baterías secundarias de iones de litio ha mejorado mucho en comparación con las baterías secundarias de litio metálicas, todavía existen muchos peligros ocultos, como la elevada energía específica de las baterías y los electrolitos inflamables, en su mayoría orgánicos. Cuando la tasa de generación de calor de las baterías supera la tasa de disipación de calor, pueden surgir problemas de seguridad.

Según las investigaciones, las baterías de iones de litio pueden generar altas temperaturas (>700 ℃) que funden el colector de aluminio en condiciones abusivas, lo que puede provocar humo, ignición, explosión e incluso daños personales en la batería. Por lo tanto, para el desarrollo y la producción de baterías de iones de litio, la seguridad de las baterías no solo se refiere a la ausencia de humo, fuego, explosión y otros fenómenos en diversas condiciones de prueba, sino que lo más importante es garantizar que el personal no sufra daños en condiciones de abuso de la batería. En este artículo se analizan diversos factores que afectan a la seguridad de las baterías de iones de litio desde el punto de vista del diseño, los materiales, la fabricación y las condiciones de uso de las baterías de iones de litio, y se proponen medidas específicas para resolver los problemas de seguridad.

1 El impacto del diseño de la batería en la seguridad

La seguridad de las baterías de iones de litio viene determinada por sus propias características:

(1) La densidad energética de la batería es muy alta, y si se produce una reacción de fuga térmica, la liberación de una gran cantidad de calor puede conducir fácilmente a un comportamiento inseguro

(2) Las baterías de iones de litio, debido al uso de sistemas de electrolitos orgánicos y a que los disolventes orgánicos son hidrocarburos, son propensas a la oxidación a unos 4,6 V, y los disolventes son inflamables. Si se produce una fuga, la batería puede incendiarse, incluso arder y explotar

(3) La reacción de sobrecarga de las baterías de iones de litio puede causar un cambio en la estructura del material del electrodo positivo, lo que provoca una fuerte oxidación del material, causando una fuerte oxidación del disolvente en el electrolito. Este efecto es irreversible, y si se acumula el calor generado por la reacción, existe el riesgo de embalamiento térmico.

1.1 Principio de oportunidad

Las baterías eléctricas de iones de litio tienen una gran capacidad, y el riesgo aumenta exponencialmente con el aumento de la capacidad. Por lo tanto, es necesario tener en cuenta la compatibilidad de las sustancias activas en la fase posterior del diseño de la batería. A medida que avanza el ciclo, la capacidad de la batería disminuye gradualmente y la resistencia interna aumenta, lo que provoca cambios estructurales significativos en el electrodo positivo en comparación con el electrodo negativo; al mismo tiempo, la película SEI de la superficie del electrodo negativo se espesa y, al final del ciclo, se depositan litio y compuestos de litio. Son estos cambios los que hacen que el rendimiento convencional de la batería se deteriore y que su aspecto cambie a medida que avanza el ciclo.

A medida que avanza el ciclo, la extracción e inserción de litio provocará un cambio de volumen en las partículas, lo que dará lugar a tensiones en el entramado y a un deterioro de la seguridad. A menudo, las pilas nuevas pueden superar las pruebas de seguridad, pero las pilas en las fases intermedia y posterior de uso no tienen por qué superar de nuevo las pruebas de seguridad, ya que las sustancias activas, como los electrodos positivo y negativo, no coinciden durante el uso, y el litio metálico precipitará en las fases posteriores de uso. El litio metálico es excepcionalmente activo y reacciona fácilmente con muchas sustancias inorgánicas y orgánicas. Por lo tanto, en los ciclos electroquímicos, la superficie desigual del litio puede provocar fácilmente una deposición desigual del litio metálico, provocar dendritas de litio y causar problemas de seguridad. Para obtener baterías de iones de litio fiables y seguras, el diseño debe tener en cuenta la oportunidad, especialmente la seguridad de la batería en las últimas fases de uso

1.2 Principio de fiabilidad

El entorno de uso de las baterías varía enormemente, y las diferentes baterías tienen diferentes requisitos de uso. Incluso el entorno de uso de una misma batería puede ser muy diferente. Lo más importante es cómo garantizar la seguridad de las pilas en condiciones de uso indebido o abuso. La resistencia al calor y al abuso de las pilas de iones de litio con ciclos prolongados se deteriora. Para evitar el calor excesivo generado por las reacciones físicas o químicas de las sustancias constituyentes debido a los aportes específicos de energía en la batería durante el uso indebido, debe adoptarse un diseño específico para las baterías con diferentes estructuras.

En el caso de las baterías cilíndricas, la PTC se utiliza a menudo como componente de protección contra sobrecorriente. Debido a la presencia de un dispositivo limitador de corriente (PTC) colocado entre el terminal positivo y la bobina del electrodo dentro de la batería, cuando el electrolito se descompone y la temperatura de la batería aumenta rápidamente durante la sobrecarga, el dispositivo empieza a funcionar y corta la corriente.

En el caso de las baterías de carcasa cuadrada de aluminio, no hay ningún dispositivo limitador de corriente en el interior, y debido a la blandura y fácil deformación del aluminio, la seguridad sólo puede garantizarse mediante dispositivos externos de la batería; La batería de iones de litio fabricada con película de embalaje de aluminio y plástico, aunque no hay ningún dispositivo limitador de corriente en el interior de la batería, el cuidadoso diseño combinado con dispositivos de seguridad externos hace que la batería sea más segura, especialmente para el uso de teléfonos móviles. Esta estructura ha sido ampliamente adoptada por los fabricantes de baterías de polímero.

En el caso de las baterías de iones de litio con estructura de carcasa de acero cilíndrica y cuadrada, la estructura de válvula de ventilación superior con diseño de seguridad activa el mecanismo de seguridad cuando se genera una gran cantidad de gas en el interior de la batería. Además de esta función, también puede reducir la temperatura de la batería para eliminar el embalamiento térmico. En el caso de las baterías con película de envasado de aluminio y plástico, debido a la película blanda de aluminio y plástico del envase exterior, no hay ningún dispositivo de protección en el interior de la batería, por lo que los requisitos de diseño de la batería son estrictos. Sin embargo, en comparación con las pilas de carcasa cilíndrica de acero, cuando se produce un uso indebido y abusivo, que hace que el gas generado por las reacciones químicas aumente gradualmente, la película de embalaje se abombará o la posición de sellado de soldadura de la película de aluminio se abombará y liberará presión, garantizando así la seguridad de la pila.