Análisis de Cortocircuito Interno en Baterías de Iones de Litio
En las complejas condiciones de carga y descarga durante la operación práctica de las baterías de iones de litio, a pesar de la gestión realizada por los sistemas de gestión de energía de la batería para lograr un funcionamiento lo más normal posible, aún pueden ocurrir situaciones especiales como sobre carga, sobre descarga y sobrecalentamiento, lo que puede provocar abuso mecánico, mal uso eléctrico y mal uso térmico. Estos problemas pueden llevar a una rápida degradación del rendimiento, cortocircuitos internos y, en última instancia, problemas de seguridad relacionados con el descontrol térmico.
Este artículo realiza un estudio sistemático sobre los principios del cortocircuito interno, los métodos experimentales inducidos, los métodos de identificación de cortocircuitos internos y las medidas preventivas. Ofrece ideas para la identificación y prevención de cortocircuitos internos en baterías de iones de litio, proporcionando orientación para la protección y aplicación seguras.
Sobre el Cortocircuito Interno en Baterías de Iones de Litio
1. Estudio sobre el Mecanismo de Cortocircuito Interno
Las condiciones desencadenantes de los cortocircuitos internos se pueden dividir en tres tipos: abuso mecánico, mal uso eléctrico y mal uso térmico, como se muestra en la Figura 1.
- Abuso mecánicoimplica acciones como punciones con agujas y compresión, provocando deformación mecánica y ruptura parcial de la membrana, desencadenando un cortocircuito interno en la batería.
- Mal uso eléctricoresulta en la deposición de litio y el crecimiento de dendritas, atravesando los poros de la membrana y conectando las partes de los electrodos positivo y negativo de la batería, causando un cortocircuito interno.
- Mal uso térmicoinvolucra altas temperaturas que provocan una contracción y colapso extensos de la membrana, dando lugar a un cortocircuito interno en la batería.
Cuando una batería de iones de litio experimenta un cortocircuito interno, genera corrientes elevadas y una cantidad significativa de calor local, lo que finalmente resulta en una descontrolada liberación de calor.
Figura 1: Condiciones que Desencadenan Cortocircuitos Internos
Los cortocircuitos internos existen a lo largo de todo el ciclo de vida de la batería, y su evolución se puede clasificar en etapas tempranas, medias y tardías, como se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1 Cambios característicos en el proceso de evolución del cortocircuito interno
Etapa de desarrollo de cortocircuito interno. | Voltaje | Temperatura | Controlabilidad | Duración |
Etapa inicial | Disminuir lentamente | Sin cambios significativos | Controlable | Más extenso |
etapa media | Disminución significativa | Aumentado significativamente | Controlable | Corta |
etapa terminal | Hasta 0V | Aumentar rápidamente | No se puede controlar | Extremadamente corto |
- En la etapa inicial de los cortocircuitos internos, la disminución de voltaje causada por el cortocircuito es relativamente lenta, y el calor generado, que es mínimo, puede disiparse de manera oportuna mediante el sistema de enfriamiento. No hay un cambio significativo en la temperatura de la batería durante esta etapa, y su duración es prolongada, lo que dificulta su detección.
- En la etapa intermedia de los cortocircuitos internos, hay una disminución de voltaje notable, y el calor aumentado, que es más sustancial, no puede disiparse de inmediato, lo que lleva a la acumulación de calor. La temperatura de la batería aumenta significativamente durante esta etapa, y su duración es más corta, mostrando características claras y siendo más fácilmente identificable.
- En la etapa tardía de los cortocircuitos internos, los cortocircuitos generalizados en la batería hacen que el voltaje disminuya a 0V. Se genera instantáneamente una cantidad significativa de calor, lo que provoca la descontrolada generación de calor de la batería. Esta etapa tiene una duración extremadamente corta e irreversible. Los cambios característicos en el proceso evolutivo de los cortocircuitos internos se resumen en la Tabla 1.
2. Métodos para Inducir Cortocircuitos Internos
Actualmente, existen principalmente tres tipos de métodos para inducir cortocircuitos internos en baterías de iones de litio: el método de condiciones de abuso, el método de diseño artificial de defectos internos y el método de resistencia equivalente.
Los mecanismos de activación y el análisis de ventajas y desventajas de estos métodos se resumen en la Tabla 2.
Tabla 2: Métodos para Inducir Cortocircuitos Internos en Baterías de Iones de Litio
Métodos Experimentales para Desencadenar Cortocircuitos Internos | Mecanismos para Desencadenar | Ventajas | Desventajas | |
Condiciones de abuso | Abuso mecánico | Aplicar presión mecánica o perforar la batería para inducir cortocircuitos internos. | Cortocircuito interno real | No repetible |
Abuso eléctrico | Ciclar la batería mediante sobrecarga y descarga para promover el crecimiento de dendritas metálicas, perforando el separador e induciendo cortocircuitos internos. | Cortocircuito interno real | Largo tiempo de prueba, no repetible | |
Abuso térmico | Realizar pruebas de alta temperatura en la batería para inducir cortocircuitos internos. | Cortocircuito interno real | No repetible | |
Diseño artificial de defectos internos | Experimento de sustitución de material de cambio de fase / aleación de bajo punto de fusión | Introducir materiales de cambio de fase/aleaciones de fusión en la batería, desencadenando cortocircuitos internos al fundir el material mediante calentamiento. | Repetible para múltiples tipos de experimentos de cortocircuito interno | Proceso de fabricación de la batería experimental complejo |
Experimento de sustitución de aleación con memoria de forma | Incorporar aleaciones con memoria de forma dentro de la batería, desencadenando cortocircuitos internos al calentar la batería y hacer que la punta del componente se levante. | Repetible para múltiples tipos de experimentos de cortocircuito interno | Proceso de fabricación de la batería experimental complejo | |
Experimento de sustitución de partículas de impurezas | Agregar partículas de impurezas a la batería, desencadenando cortocircuitos internos a través del proceso de carga y descarga. | Cercano a experimentos reales | Baja repetibilidad | |
Experimento de compresión con agujero | Crear defectos o agujeros dentro de la batería, desencadenando cortocircuitos internos al comprimir mecánicamente la batería. | Repetible para múltiples tipos de experimentos de cortocircuito interno | Daña la integridad de la batería | |
Resistencia equivalente | Insertar un cortocircuito interno equivalente en baterías con estructuras especiales, controlando la ocurrencia de cortocircuitos internos mediante control de interruptores. | Experimentos repetibles, las baterías pueden reutilizarse | No se puede observar el daño real de los materiales internos causado por el cortocircuito interno | |
3. Análisis de Métodos de Identificación de Cortocircuitos Internos
Con el fin de evitar que el desarrollo de cortocircuitos internos llegue a la etapa de pérdida de control térmico, los investigadores han dedicado mucho tiempo al estudio de métodos precisos para identificar cortocircuitos internos en las etapas iniciales de las baterías de litio. Los métodos actuales de identificación de cortocircuitos internos se pueden resumir en las siguientes cinco categorías:
(1) Método de Identificación por Desviación de Datos Empíricos
Este método requiere establecer un modelo confiable de predicción del estado de la batería. Luego, los valores medidos en tiempo real de parámetros como el voltaje y la temperatura durante el proceso de carga y descarga de la batería se comparan y analizan con los valores predichos por el modelo.
Si la desviación calculada excede el rango permitido de error, se determina que la batería ha experimentado un cortocircuito interno.
Dado que los parámetros característicos de la batería, como el voltaje y la temperatura, no cambian significativamente en las etapas iniciales de un cortocircuito interno, este método tiene una eficacia limitada para identificar cortocircuitos internos en las etapas iniciales y no puede identificar cortocircuitos internos en grupos de baterías en paralelo.
(2) Método de Identificación de Anomalías en la Señal de Voltaje
Este método se basa en el principio de que habrá un fenómeno anormal de caída y recuperación de voltaje cuando una batería de tipo diapasón cerámico experimenta un cortocircuito interno. Al detectar si hay un fenómeno anormal de caída y recuperación de voltaje en la señal de voltaje de la batería durante el proceso de carga y descarga, una vez detectada la anomalía, se determina que la batería ha experimentado un cortocircuito interno.
Dado que solo las baterías de tipo diapasón cerámico recubiertas con materiales protectores porosos exhiben el fenómeno de caída y recuperación de voltaje al experimentar un cortocircuito interno, este método solo puede identificar cortocircuitos internos en grupos de baterías conectadas en serie de tipos de baterías específicos, con limitaciones significativas.
(3) Método de Identificación de Autodescarga de la Batería
Los cortocircuitos internos en las baterías inevitablemente causan procesos de autodescarga que exceden el rango normal. Utilizando métodos de comparación de niveles de voltaje antes y después del almacenamiento estático y mediante la referencia de una fuente de voltaje constante, el método detecta si la batería experimenta un proceso anormal de autodescarga. Si es así, se determina que la batería ha experimentado un cortocircuito interno.
Dado que este método requiere que la batería esté en un estado estático y no en funcionamiento, no se puede utilizar para la identificación en tiempo real de cortocircuitos internos durante el funcionamiento de la batería ni para la identificación de cortocircuitos internos en grupos de baterías en paralelo.
(4) Método de Identificación de Consistencia de Batería
Basado en la suposición de consistencia entre las celdas individuales de la batería, este método monitorea parámetros como el voltaje, la capacidad y la carga restante de cada celda de la batería dentro del mismo paquete de baterías. Si se detecta que los parámetros de una celda específica se desvían significativamente de los parámetros normales de las otras celdas, perturbando la consistencia general de la batería, se determina que ha ocurrido un cortocircuito interno en esa celda específica.
Dado que los cambios iniciales en las características de voltaje y capacidad no son notables en las etapas iniciales de un cortocircuito interno, este método tiene una efectividad limitada para identificar cortocircuitos internos en etapas tempranas y no puede identificar cortocircuitos internos en paquetes de baterías en paralelo.
(5) Método de Identificación de Circuito Especial
Al examinar parámetros como el voltaje y la corriente en la topología de circuito de anillo simétrico, este método identifica con precisión la posición de una celda de la batería donde ha ocurrido un cortocircuito interno al detectar cambios en la simetría de los parámetros del circuito.
Este método aborda la identificación de alta precisión y la estimación de la resistencia de cortocircuitos internos en paquetes de baterías en condiciones de paralelo. Sin embargo, enfrenta desafíos como costos elevados para el equipo de detección, lo que afecta la consistencia dinámica de las baterías.
4. Medidas de Supresión de Cortocircuitos Internos
Los factores que causan cortocircuitos internos en las baterías pueden clasificarse en dos categorías generales:
① aquellos relacionados con los materiales y procesos de la batería
② aquellos relacionados con el diseño y uso de la batería
Los métodos para suprimir y prevenir la aparición de cortocircuitos internos se resumen desde estos dos aspectos de la siguiente manera:
4.1 Materiales y Procesos de la Batería
Esto se logra principalmente mediante mejoras en los materiales del separador, materiales del electrolito, recubrimientos de electrodos y optimización de los procesos de producción para reducir defectos de producción.
- El uso de separadores cerámicos resistentes a altas temperaturas y con baja tasa de autodescarga, junto con electrolitos retardantes de llama o electrolitos líquidos iónicos, puede suprimir eficazmente el crecimiento de dendritas, reduciendo el riesgo de cortocircuitos internos.
- Recubrir capas de baja conductividad o materiales de coeficiente de temperatura positivo en el colector de corriente o electrodos positivos/negativos de las celdas de la batería puede reducir eficazmente la corriente de cortocircuito interno y la capacidad de generación de calor durante cortocircuitos internos, disminuyendo así la probabilidad de desencadenar una descontrolada subida de temperatura en la batería.
- La optimización de los procesos de producción de núcleos de batería, separadores y otros materiales, junto con procesos de eliminación de impurezas, puede filtrar eficazmente las impurezas metálicas, prevenir reacciones secundarias irreversibles entre impurezas metálicas y electrolitos, y reducir el riesgo de que partículas metálicas perforen los separadores, causando cortocircuitos internos.
- Además, la adopción de tecnologías avanzadas de detección para evaluar la integridad estructural interna, la precisión del procesamiento y la alineación de las láminas de electrodos también puede ayudar a evitar riesgos potenciales de cortocircuitos internos.
4.2 Aspectos de Diseño y Uso de la Batería
(1) Diseño de Software de la Batería:
- Establecer advertencias de batería y estrategias de control de seguridad razonables a través del Sistema de Gestión de Baterías (BMS) para lograr el monitoreo en tiempo real de los estados de las celdas individuales de la batería. Esto facilita la detección oportuna de la posición de las celdas de la batería que experimentan cortocircuitos internos y la eliminación rápida de los peligros de seguridad.
- Implementar redundancia y diseño de equilibrio en la carga y descarga de las celdas para reducir el riesgo de cortocircuitos internos causados por cargas elevadas de la batería.
(2) Diseño de Hardware de la Batería:
- Subdividir los fusibles de la batería en fusibles individuales de las celdas, fusibles de los módulos, fusibles del paquete y fusibles de carga del vehículo, entre otros, a través de una gestión estratificada. Esto permite la desconexión oportuna del circuito de las celdas de la batería que experimentan cortocircuitos internos, evitando el desarrollo continuo de cortocircuitos internos.
- Diseñar un sistema interno de enfriamiento racional para la batería para mejorar la conductividad térmica y prevenir el descontrol térmico causado por el sobrecalentamiento, que puede provocar reacciones de descomposición de electrodos, electrolitos y separadores.
- Implementar un sistema interno de calentamiento racional para la batería, calentando la batería a una temperatura de funcionamiento adecuada durante la carga a baja temperatura para evitar el descontrol térmico causado por la penetración de dendritas en el separador durante la carga en frío.
