Análisis de Problemas de Fallos en Baterías de Iones de Litio
En las baterías de iones de litio comerciales, a menudo ocurren ciertos fenómenos de falla durante el uso o el almacenamiento, lo que reduce significativamente el rendimiento, la confiabilidad y la seguridad de las baterías de iones de litio. Estos fenómenos de falla son el resultado de la interacción de una serie de mecanismos químicos y físicos complejos dentro de la batería.
Analizar y comprender correctamente estos fenómenos de falla desempeña un papel crucial en la mejora del rendimiento y los avances tecnológicos de las baterías de iones de litio.
Este artículo presentará las razones de la falla de las baterías de iones de litio.
El sistema de baterías de iones de litio es complejo e involucra aspectos de termodinámica, cinética, microestructuras, interacciones y reacciones entre componentes, así como reacciones en interfaces.
1. Síntomas y Mecanismos de Fallo de las Baterías de Iones de Litio
(1) Degradación de la Capacidad
La degradación de la capacidad de las baterías de iones de litio se puede clasificar en degradación de la capacidad reversible y degradación de la capacidad irreversible.
- La degradación de la capacidad reversible se puede restaurar ajustando el régimen de carga y descarga de la batería y mejorando las condiciones de funcionamiento de la misma.
- La degradación de la capacidad irreversible resulta de cambios irreversibles que ocurren dentro de la batería, lo que conduce a una pérdida de capacidad irreversible. La causa raíz de la degradación de la capacidad de la batería radica en fallas de materiales, estrechamente relacionadas con factores objetivos como los procesos de fabricación de la batería y los entornos de uso.
Desde una perspectiva material, las principales causas de falla incluyen fallas estructurales en el material del electrodo positivo, un crecimiento excesivo de la interfaz sólido-electrolito (SEI) en la superficie del electrodo negativo, la descomposición y degradación del electrolito, la corrosión de los colectores de corriente y trazas de impurezas en el sistema.
(2) Aumento de la Resistencia
Interna La resistencia interna de las baterías de iones de litio está relacionada con los procesos internos de transferencia de electrones e iones dentro del sistema de la batería y se divide principalmente en resistencia ohmica y resistencia de polarización.
La resistencia de polarización, en particular, se debe principalmente a la polarización electroquímica e incluye tanto la polarización electroquímica como la polarización por concentración.
Los principales factores que conducen al aumento de la resistencia interna de las baterías de iones de litio están relacionados con los materiales críticos de la batería y los entornos de uso de la misma.
Investigadores como Que Yongchun de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China han propuesto que el mecanismo de salto de los elementos de transición es la razón de la falta de potencial y la disminución de la tensión utilizando la tecnología de radiación de sincrotrón.
Esto explica que dentro del sistema de la batería, las anormalidades en los materiales críticos son los factores influyentes fundamentales para el aumento de la resistencia interna y la polarización de la batería.
(3) Cortocircuito Interno
Las manifestaciones de un cortocircuito pueden dividirse en:
① Cortocircuito entre los colectores de corriente de cobre/aluminio.
② La falla de la membrana conduce a la pérdida del aislamiento electrónico o un aumento en los espacios, lo que permite el contacto parcial entre los electrodos positivos y negativos, lo que resulta en un calentamiento local severo. Durante los procesos de carga y descarga posteriores, este calor puede propagarse hacia el entorno, lo que lleva a un descontrol térmico.
③ Impurezas de metales de transición en la pasta del electrodo positivo que no se eliminaron por completo, lo que provoca la penetración de la membrana o promueve la generación de dendritas de litio en el electrodo negativo, lo que resulta en cortocircuitos internos.
④ La ocurrencia de cortocircuitos internos causados por dendritas de litio.
Además, en los procesos de diseño, fabricación o ensamblaje de paquetes de baterías, diseños irrazonables y una presión local excesiva también pueden provocar cortocircuitos internos. Por ejemplo, según informó el medio surcoreano SBS en el caso de las explosiones del Samsung Note7, se señaló que la compresión interna provocó el contacto entre los electrodos positivo y negativo, lo que causó un cortocircuito interno, que a su vez resultó en una descontrol térmico de la batería. Bajo la inducción de la sobrecarga y la sobredescarga de la batería, también pueden ocurrir cortocircuitos internos, principalmente debido a la corrosión del colector de corriente, lo que lleva a la deposición en las superficies de los electrodos. En casos graves, puede resultar en la conexión directa de los electrodos positivo y negativo a través de la membrana, como se muestra en la Figura 1.
Figura 1: Cortocircuito Interno Inducido por la Sobredescarga
(4) Generación de Gases
La generación de gases en las baterías de iones de litio se puede dividir en generación normal de gases y generación anormal de gases.
- La generación normal de gases ocurre durante la formación de la química de la batería cuando se consume el electrolito para formar una película SEI (Interfase de Electrólito Sólido) estable. Los gases generados durante la etapa de formación incluyen H2, CO2, C2H2 y otros a través de reacciones de electrones simples/dobles de tipo éster.
- La generación anormal de gases, por otro lado, ocurre durante el proceso de ciclado de la batería cuando hay un consumo excesivo de electrolito, lo que lleva a la liberación de gas, o cuando el material del electrodo positivo libera oxígeno. Este fenómeno es más común en las baterías de tipo pouch y puede dar lugar a un aumento de la presión interna, deformación, ruptura de la película de aluminio de encapsulación y problemas de contacto interno de la celda.
(5) Descontrol Térmico
El descontrol térmico se refiere al aumento rápido de la temperatura, ya sea local o en toda la batería de iones de litio, donde el calor no puede disiparse lo suficientemente rápido. Esto resulta en la acumulación de una gran cantidad de calor internamente y desencadena reacciones secundarias adicionales. Para obtener más información sobre los comportamientos comunes del descontrol térmico en las baterías de iones de litio, consulte Análisis de Problemas de Fallos en Baterías de Iones de Litio.
Para prevenir problemas graves de seguridad causados por el descontrol térmico en las baterías de iones de litio, a menudo se utilizan medidas como dispositivos PTC (Coeficiente de Temperatura Positivo), válvulas de seguridad y películas conductoras térmicas. Además, se requiere un enfoque sistemático en el diseño de la batería, los procesos de fabricación, los sistemas de gestión de baterías y los entornos de uso de la batería.
(6) Plaqueado de Litio
El plaqueado de litio es un fenómeno común de envejecimiento y fallo en las baterías de iones de litio. La principal manifestación es la aparición de una sustancia de color gris, blanco grisáceo o gris azulado en la superficie de la lámina del electrodo negativo, que es litio metálico depositado en la superficie del electrodo negativo. La Figura 2 muestra un fenómeno de plaqueado de litio común.
Investigadores de la Universidad de Tsinghua, liderados por Zhang Qiang, señalaron que los principales factores que afectan al crecimiento de las dendritas son la densidad de corriente, la temperatura y la capacidad de carga. Medidas para inhibir el crecimiento de las dendritas incluyen la adición de aditivos al electrolito, una interfaz sólida artificial (SEI), electrolitos de alta concentración de sal, electrodos negativos estructurados y un diseño optimizado de la configuración de la batería.
Figura 2: Fenómeno común de la placa de litio
La falla de las baterías de iones de litio principalmente se origina en los siguientes tres aspectos: materiales de los componentes, diseño y fabricación, y entorno de uso. Desde la perspectiva de los materiales de los componentes, varios fenómenos de falla pueden atribuirse a los materiales de los componentes de la batería.
