Acerca de la seguridad de las pilas de iones de litio - Parte 2

Acerca de la seguridad de las pilas de iones de litio - Parte 2

3 El impacto de los materiales

En general, la estabilidad térmica de los materiales de las baterías es un factor importante para la seguridad de las baterías de iones de litio. Esto está relacionado principalmente con la actividad térmica de los materiales de la batería. Cuando la temperatura de la batería aumenta, se producen muchas reacciones exotérmicas en su interior. Si el calor generado supera la pérdida de calor, se producirá un colapso térmico. Las principales reacciones exotérmicas entre los materiales de las baterías de iones de litio son: la descomposición de la película SEI; la descomposición del electrolito; la descomposición del electrodo positivo; la reacción entre el electrodo negativo y el electrolito; la reacción entre el electrodo negativo y el adhesivo; Además, debido a la presencia de resistencia en la batería, se genera una pequeña cantidad de calor durante su uso.

3.1 Material del electrodo positivo

El material del electrodo positivo de las baterías de iones de litio siempre ha sido el factor limitante clave para el desarrollo de las baterías de iones de litio. En comparación con los materiales de electrodos negativos, los materiales de electrodos positivos tienen una densidad de energía y una densidad de potencia menores, y son también la principal causa de riesgos de seguridad en las baterías de iones de litio. La estructura de los materiales de electrodos positivos y negativos tiene un impacto decisivo en la inserción y extracción de iones de litio, lo que afecta a la vida cíclica de las baterías. El uso de materiales activos fácilmente extraíbles da lugar a cambios estructurales mínimos y reversibles durante los ciclos de carga y descarga, lo que resulta beneficioso para alargar la vida útil de las baterías.

En las condiciones de abuso de las baterías de iones de litio, a medida que aumenta la temperatura interna de la batería, el electrodo positivo sufre la descomposición de la sustancia activa y la oxidación del electrolito. Estas dos reacciones generan una gran cantidad de calor, lo que provoca un mayor aumento de la temperatura de la batería. Al mismo tiempo, los diferentes estados de delitización tienen efectos significativos en la transformación reticular de la sustancia activa, la temperatura de descomposición y la estabilidad térmica de la pila. Encontrar materiales de electrodos positivos con buena estabilidad térmica es la clave de las baterías de iones de litio.

3.2 Materiales de electrodos negativos

El primer material de electrodo negativo utilizado fue el litio metálico, y las baterías ensambladas con litio metálico como electrodo negativo son propensas a sufrir dendritas de litio durante los múltiples procesos de carga y descarga. Las dendritas de litio pueden perforar el separador, provocando cortocircuitos en la batería, fugas e incluso explosiones. El uso de compuestos de intercalación de litio evita la generación de dendritas de litio, mejorando enormemente la seguridad de las baterías de iones de litio.

Recientemente, hay tres tipos de carbono que tienen un valor significativo y perspectivas de aplicación en las baterías secundarias de iones de litio: carbono altamente grafitizado, carbono blando y duro, y nanomateriales de carbono. En la actualidad, la mayoría de los materiales de electrodos negativos utilizados en las baterías de iones de litio utilizan grafito, y la capacidad específica adecuada teórica del grafito es de sólo 372 mAh/g, y la capacidad específica de volumen es de sólo 800 mAh/cm3. Aunque el carbono de pirólisis médica desarrollado actualmente tiene una capacidad específica de 700 mAh/g, su capacidad específica de volumen sigue siendo muy limitada.

Debido a la necesidad de alta potencia, los metales y compuestos metálicos de alta densidad energética han atraído una amplia atención, y la investigación se centra principalmente en el desarrollo de partículas pequeñas (a nanoescala), de monofásicas a multifásicas, y materiales inactivos dopados. Los electrodos negativos metálicos y de aleación sufren importantes cambios de volumen durante los ciclos, lo que se traduce en una corta vida útil. Para prolongar la vida útil, se utilizan métodos aproximados en metalurgia para desarrollar y controlar la composición y microestructura de los materiales de aleación. Investigaciones recientes sobre técnicas de nanoescala y tratamiento de superficies han demostrado que, a medida que aumenta la temperatura, los electrodos negativos de carbono embebidos en litio experimentan primero reacciones exotérmicas con el electrolito.

En las mismas condiciones de carga y descarga, la velocidad exotérmica de la reacción entre el electrolito y el grafito artificial embebido en litio es mucho mayor que la del MCMB embebido en litio, la fibra de carbono, el coque, etc. El espaciado entre capas de carbono de los materiales de carbono duro y de los materiales de grafito de carbono blando es de aproximadamente 0,38 nm, 0,34-0,35 nm y 0,335 m, respectivamente. Cuando el litio está incrustado en la capa de carbono, la separación entre capas es de aproximadamente 0,37 nm. Los materiales de grafito presentan el menor espaciado entre capas y la mayor deformación durante el proceso de inserción y extracción de las baterías de iones de litio. La velocidad de difusión de los iones de litio en este tipo de capa de carbono también es lenta. Cuando se carga y descarga a corrientes elevadas, la polarización es grande y la resistencia es alta, lo que da lugar a una seguridad deficiente de la batería. En cambio, los materiales de carbono duro tienen el efecto contrario.

Sin embargo, algunas personas también creen que el aumento del grado de grafitización puede reducir el rendimiento de activación de la difusión de iones de litio, lo que favorece la difusión de iones de litio. Sin embargo, los materiales de carbono duro, debido a la presencia de un gran número de huecos, tienen un comportamiento similar al de los electrodos negativos de litio metálicos durante la carga y descarga de corrientes elevadas, y su seguridad no es buena. En la exploración de nuevos materiales, los nitruros de metales de transición litiados y los fosfatos de metales de transición son buenos ejemplos. Una mayor investigación sobre estos materiales puede inyectar nueva vitalidad al desarrollo de materiales de electrodos negativos para baterías de iones de litio.

3.3 Diafragma y electrolito

El propio diafragma no es un buen conductor de electrones, pero también permite el paso de los iones del electrolito. Además, el material separador también debe tener una buena estabilidad química y electroquímica, y propiedades mecánicas, así como mantener una alta humectabilidad del electrolito durante los repetidos procesos de carga y descarga. La compatibilidad de la interfaz entre el material separador y el electrodo, así como la retención de electrolito del separador, tienen un impacto significativo en el rendimiento de carga y descarga, el rendimiento de los ciclos y otros aspectos de las baterías de iones de litio.

El electrolito desempeña un papel importante en el transporte de Li+ entre los electrodos positivo y negativo de las baterías de iones de litio, y la compatibilidad entre el electrolito y el electrodo afecta directamente al rendimiento de la batería. La investigación y el desarrollo del electrolito son muy importantes para el rendimiento y el desarrollo de las baterías secundarias de iones de litio.

Desde el punto de vista de la seguridad de la batería, se requiere que los electrolitos orgánicos tengan una buena estabilidad térmica y permanezcan estables en condiciones de alta temperatura generadas por el calentamiento de la batería, de modo que toda la batería no experimente un desbordamiento térmico. El impacto de los electrolitos orgánicos en la seguridad de las baterías de iones de litio se estudia principalmente desde tres aspectos: disolventes, electrolitos de sales de litio y aditivos. La solución fundamental a los problemas de seguridad de las baterías de iones de litio deberían ser los electrolitos líquidos iónicos.

4 Proceso de fabricación y seguridad de las baterías

El proceso de fabricación de las baterías de iones de litio puede dividirse en procesos de fabricación de baterías de iones de litio líquidas y poliméricas. Independientemente de la estructura de la batería de iones de litio, la fabricación de electrodos, el montaje de la batería y otros procesos de fabricación repercutirán en la seguridad de la batería. El control de calidad de diversos procesos, como la mezcla de electrodos positivos y negativos, el revestimiento, el laminado, el corte o punzonado, el montaje, el sellado del electrolito y la formación, afectan al rendimiento y la seguridad de la batería.

La uniformidad de la lechada determina la uniformidad de la distribución de las sustancias activas en el electrodo, lo que afecta a la seguridad de la batería. Si la finura de la lechada es demasiado grande, puede haber cambios significativos en la expansión y contracción del material del electrodo negativo durante la carga y descarga de la batería, lo que puede provocar la precipitación de litio metálico; Una finura demasiado pequeña de la lechada puede provocar una resistencia interna excesiva en la batería.

Una temperatura de calentamiento del revestimiento baja o un tiempo de secado insuficiente pueden provocar una resistencia interna excesiva en la batería. Si el tiempo de calentamiento del revestimiento es demasiado bajo o el tiempo de secado es insuficiente, se producirán residuos de disolvente y disolución parcial del aglutinante, lo que provocará que algunas sustancias activas se desprendan fácilmente; Una temperatura excesiva puede provocar la carbonización del aglutinante, el desprendimiento de sustancias activas y la formación de cortocircuitos en el interior de la pila

5 Uso seguro de las pilas

La seguridad de las baterías de iones de litio ha recibido mucha atención y está estrechamente relacionada con sus aplicaciones previstas. En el caso de las baterías eléctricas de iones de litio, independientemente de la capacidad individual, se utiliza inevitablemente una combinación de baterías. Si no se puede lograr un control preciso del equilibrio, equivale a abusar de una sola pila.

El número de ciclos de la batería y el sistema de carga y descarga tienen un impacto significativo en la seguridad de las baterías. Durante el uso, es aconsejable minimizar la sobrecarga o descarga de las celdas individuales, especialmente en el caso de las baterías de alta capacidad. Las alteraciones térmicas pueden provocar una serie de reacciones secundarias exotérmicas que, en última instancia, pueden dar lugar a problemas de seguridad.

Las baterías de iones de litio también tienen una característica de "envejecimiento" muy pobre. Después de estar almacenadas durante un periodo de tiempo, aunque no se reciclen, parte de su capacidad se perderá de forma permanente. La razón es que los electrodos positivo y negativo de la batería ya han iniciado su proceso de agotamiento desde que salen de fábrica. El ritmo de envejecimiento varía en función de la temperatura y el nivel de carga de la batería. Cuanto más alta sea la temperatura de almacenamiento y más llena esté la carga, más rápida será la pérdida de capacidad de la batería. Por lo tanto, no se recomienda almacenar las baterías de iones de litio en estado de saturación durante mucho tiempo. Para almacenar las baterías, intente hacerlo a bajas temperaturas.

6 Resumen

Las baterías de iones de litio han progresado mucho en los últimos años, y las baterías de iones de litio han aparecido en el mercado. En la actualidad, aún se encuentran en fase de desarrollo y se están mejorando para que sean adecuadas para ciclos de carga y descarga de alta velocidad, condiciones de alta y baja temperatura, entornos difíciles y bajo mantenimiento en entornos industriales. Con la investigación en profundidad de cuestiones de seguridad como los sistemas y materiales de las baterías, es necesario trabajar conjuntamente desde el punto de vista del diseño, la producción y el uso para resolver la seguridad de las baterías de iones de litio, evitar factores inseguros y promover el desarrollo saludable de las baterías de iones de litio.