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Acerca de la seguridad térmica de las baterías de iones de litio

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Acerca de la seguridad térmica de las baterías de iones de litio

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En el campo del transporte sostenible, la gestión térmica de las baterías de iones de litio (LIB) de los vehículos eléctricos es un área de investigación clave que resulta crucial para mejorar la eficiencia del sistema energético y garantizar la seguridad. Los sistemas de gestión térmica de baterías (BTMS, por sus siglas en inglés) desempeñan un papel decisivo a la hora de mantener las LIB dentro del rango óptimo de temperatura, contribuyendo a optimizar el rendimiento de las baterías y a prolongar su vida útil. Este campo se enfrenta a importantes retos, relacionados sobre todo con el sobrecalentamiento y los cambios de temperatura de las LIB, que pueden afectar a la seguridad y el rendimiento de las baterías, acelerar su envejecimiento y reducir su capacidad de almacenamiento de energía y, en casos extremos, incluso provocar fugas térmicas (TR) y riesgos de incendio o explosión.



El progreso de los BTMS ha mostrado ventajas significativas en los vehículos eléctricos, como proporcionar una regulación de la temperatura más precisa y uniforme, mejorando la eficiencia y la fiabilidad de las baterías; La innovación de los materiales de cambio de fase (PCM) y otras tecnologías BTMS ha mejorado la disipación del calor y la prevención del TR, aumentando la seguridad y la densidad energética de las baterías; El estudio de la generación térmica en las LIB es cada vez más importante, especialmente su impacto en el rendimiento y la seguridad de las baterías; Actualmente existen múltiples métodos innovadores para la gestión térmica de los vehículos eléctricos, pero todavía hay retos clave que requieren una investigación más profunda.



1.Gestión térmica de las baterías de iones de litio
La gestión térmica de las baterías de iones de litio es crucial para su funcionamiento eficiente y seguro, especialmente en aplicaciones como los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía. Existen tres tipos de gestión térmica: sistemas activos, pasivos e híbridos, cada uno con características únicas adecuadas para diferentes aplicaciones y requisitos.



Sistema activo: el uso de medios mecánicos o eléctricos (como bombas y ventiladores) para regular la temperatura de la batería, incluidos los métodos de refrigeración por aire y líquido, tiene un buen efecto de disipación del calor, pero aumenta el consumo de energía del sistema, reduce la eficiencia global de la batería y su diseño es más complejo y costoso.



Sistemas pasivos: utilizan tecnologías como los PCM y las tuberías de calor, se basan en procesos naturales como la conducción y la convección para la transferencia de calor, no requieren energía adicional, tienen una mayor eficiencia energética y un diseño más sencillo, pero pueden enfrentarse a problemas cuando se trata de altas cargas de calor o temperaturas extremas, y algunos materiales (como los PCM) pueden tener una baja conductividad térmica y fugas después de fundirse.



Sistema híbrido: La combinación de métodos activos y pasivos, como la integración de PCM con sistemas de refrigeración por aire o líquido, puede mejorar el control de la temperatura evitando el elevado consumo energético de los sistemas totalmente activos, pero requiere un diseño cuidadoso y una ingeniería avanzada para lograr el equilibrio óptimo entre eficiencia energética y eficacia de la gestión térmica.



Para elegir un sistema de gestión térmica adecuado hay que tener en cuenta factores como el tamaño de la batería, su vida útil y la velocidad de carga y descarga. Nuevos materiales como los nano PCM y las tecnologías avanzadas de refrigeración y calefacción están mejorando la eficiencia y seguridad de estos sistemas, contribuyendo a aumentar la adopción de baterías en diversas aplicaciones, reducir costes y fomentar el uso de fuentes de energía más limpias y sostenibles. Además, la integración y compatibilidad de estos sistemas con el diseño general del vehículo eléctrico o del sistema de almacenamiento es también un reto. Muchos estudios han propuesto diversas mejoras de diseño para aumentar la eficiencia de los BTMS.



Los BTMS presentan importantes retos, especialmente en condiciones de funcionamiento difíciles. Una limitación clave es la baja conductividad térmica de los PCM, que conduce a una distribución desigual de la temperatura dentro de las celdas de la batería y tiene efectos adversos sobre el rendimiento y la eficiencia de las LIB. En casos extremos, como tasas de descarga superiores a 1 °C o temperaturas ambiente superiores a 35 °C, este problema puede agravarse, y la diferencia de temperatura entre celdas individuales puede ser inferior a 3 °C, lo que tiene un impacto significativo en el rendimiento y la durabilidad de las LIB.



Además, los BTMS actuales también tienen limitaciones sustanciales, especialmente en escenarios de carga rápida y altas temperaturas ambiente, lo que puede conducir a una baja eficiencia de la gestión térmica y un mayor riesgo de TR.



2.Innovación en métodos de refrigeración para sistemas de gestión de baterías
El progreso de la tecnología de refrigeración es significativo tanto en el campo monofásico como en el multifásico. El diseño de la refrigeración monofásica es sencillo, pero su capacidad de transferencia de calor es relativamente limitada en comparación con la tecnología multifásica. En la refrigeración monofásica, se han explorado nuevos nanofluidos para mejorar la conductividad térmica y la eficiencia de la transferencia de calor. Los sistemas de refrigeración inmersiva también tienen una buena eficacia de regulación térmica. En la refrigeración multifásica, los refrigerantes tradicionales, como los HFC y HCFC, tienen un impacto sobre el medio ambiente. Por tanto, explorar nuevos fluidos dieléctricos con puntos de ebullición más bajos es crucial para prolongar la vida útil de las baterías y mejorar su seguridad introduciendo modelos de gestión térmica.



Las innovaciones en materiales y estructuras están cambiando la eficiencia térmica, como el uso de PCM para mantener la temperatura de la batería dentro de un rango seguro, pero con una baja conductividad térmica, que puede solucionarse introduciendo matrices metálicas altamente conductoras y añadiendo nanopartículas metálicas o materiales porosos; las placas de refrigeración de microcanales pueden gestionar eficazmente la temperatura de las baterías, pero su producción es compleja y costosa; la estructura híbrida combina las ventajas de los sistemas de refrigeración pasivos y activos, pero aumenta el peso y la complejidad; materiales innovadores como el grafeno pueden mejorar la disipación del calor, pero su coste de producción es elevado. A pesar de los importantes avances en la mejora de la eficiencia térmica, sigue habiendo retos como la optimización de los costes, la simplificación de los procesos de fabricación y la integración efectiva que requieren una investigación y un desarrollo continuos para afrontarlos y aprovechar plenamente las ventajas de la tecnología avanzada.



3.Retos de las baterías de iones de litio en condiciones extremas


A temperatura ambiente: por debajo del 10% de SoC, la temperatura de la batería es relativamente estable. Cuando comienza la etapa de 4C (12A), la temperatura sube a 54 °C. Este aumento de temperatura ha atraído una gran atención a nivel del pack de baterías, poniendo de relieve la necesidad de estrategias de carga precisas para mitigar los riesgos de sobrecalentamiento y garantizar la seguridad y la integridad operativa a largo plazo del pack de baterías. En última instancia, lograr una carga rápida y segura de estas baterías requiere un equilibrio entre el nivel de SoC requerido y estrategias eficaces de gestión de la temperatura para evitar el desbordamiento térmico.



Prueba de temperatura extrema: Prueba de carga rápida a temperaturas extremas (-10 ° C, 10 ° C, 45 ° C, y 60 ° C), registrar el cambio de temperatura Δ T de la prueba de carga rápida para la comparación. Ese es un buen método para comparar diferentes pruebas de temperatura con diferentes temperaturas iniciales.



Resultados de las pruebas de alta temperatura: Para las pruebas de alta temperatura, está claro que 45 ° C es más beneficioso para la carga rápida, ya que la fase de alta corriente dura más que otras altas temperaturas. Cuando la temperatura desciende a la temperatura ambiente (25 ° C), la fase de alta corriente se acorta debido a la mayor resistencia en comparación con 45 ° C. A 60 ° C, la fase de corriente constante (CC) es más corta que a 45 ° C, lo que puede atribuirse al aumento de la resistencia causado por el envejecimiento acelerado en este entorno.



Las condiciones de prueba extremas de 60 ° C dieron lugar a un aumento significativo de la resistencia, que está relacionado con el crecimiento de la capa de interfaz de electrolito sólido (SEI) en el electrodo negativo de grafito. El aumento de la temperatura de ciclado provocará un aumento de la capa de litio durante el proceso de ciclado, lo que dará lugar a la detección de depósitos en el electrodo de grafito. Por lo tanto, la prueba de carga rápida a 60 ° C puede haber desencadenado la deposición de litio en el ánodo, aumentando la resistencia interna.



Resultados de las pruebas a baja temperatura: En entornos de baja temperatura, la etapa de alta corriente se ve afectada significativamente. A 10 ° C y por debajo, debido a una mayor resistencia interna, la etapa de CC es más corta que a 25 ° C. En concreto, a -10 ° C, la curva de corriente disminuye inicialmente, pero hay un breve aumento a medida que continúa la carga. Esto se debe a la evolución de la resistencia: al principio de la prueba de carga rápida, la resistencia es relativamente alta, y a medida que aumenta la temperatura de la batería, la resistencia disminuye, dando lugar a la curva de corriente observada. En general, las condiciones de baja temperatura no son propicias para la carga rápida, lo que significa que se tarda el doble de tiempo en cargar hasta el 80% a 10 ° C. Por lo tanto, debe desarrollarse una estrategia de gestión térmica previa al tratamiento para optimizar la carga rápida en este entorno.



4.Construcción
Este artículo se centra en los aspectos fundamentales del desarrollo sostenible y seguro de las baterías de iones de litio, especialmente en aplicaciones clave como los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía. Se hace hincapié en la importancia crucial de los sistemas de gestión térmica de las baterías para mantener las LIB dentro del rango óptimo de temperatura, optimizar su rendimiento y prolongar su vida útil. El sobrecalentamiento y los cambios de temperatura pueden comprometer la seguridad y el rendimiento de la batería, acelerar su envejecimiento y reducir su capacidad de almacenamiento de energía.