Análisis y Prevención de la Desviación Térmica de las Baterías de Litio
1. Principio de Desviación Térmica de Baterías de Litio
cómo se produce la fuga térmica en las baterías de litio:
Fase 1:
125°C, el comienzo de la desviación térmica.
La película SEI reacciona y se descompone, exponiendo el electrodo negativo al electrolito, lo que provoca una reacción entre el electrolito y el litio en el electrodo negativo, lo que lleva a la generación de gas.
① 2Li + C3H4O3 (EC) → Li2CO3 + C2H4
② 2Li + C4H6O3 (PC) → Li2CO3 + C3H6
③ 2Li + C3H4O3 (DMC) → Li2CO3 + C2H6
Fase 2:
125~180°C, liberación de gas y calentamiento acelerado en el interior de la batería.
La velocidad de generación de gas aumenta durante esta fase, y los materiales del electrodo positivo se descomponen, como el LiCoO2 que se descompone para producir O2. También ocurre la descomposición de las sales de litio, por ejemplo, el LiPF6 se descompone para generar LiF y el ácido de Lewis PF5. El ácido de Lewis reacciona con el electrolito a altas temperaturas, produciendo una gran cantidad de gas.
Fase 3:
Por encima de los 180°C, ocurre el desvío térmico.
Durante esta fase, las reacciones exotérmicas entre los materiales del electrodo positivo/negativo y el electrolito, así como la descomposición del electrolito, aumentan significativamente en velocidad.
La temperatura interna de la batería también aumenta bruscamente, lo que lleva a la apertura de las válvulas de alivio de presión o a la ignición espontánea.
Algunos investigadores subdividen aún más el desvío térmico en los siguientes rangos:
No. | Temperatura/ ℃ | Reacciones químicas | Calor/(J·g-1) | Explicación |
1 | 90-120 | Descomposición de la película SEI | – | – |
2 | 110-150 | Reacción entre Li4C6 y el electrolito | 350 | Ruptura de la película de pasivación |
3 | 130-180 | Fusión de la membrana de PE | -190 | Endotérmico |
4 | 160-190 | Fusión de la membrana de PP | -90 | Endotérmico |
5 | 180-500 | Descomposición de Li0.3NiO2 con el electrolito | 600 | Pico de temperatura de liberación de oxígeno ~200°C |
6 | 220-500 | Descomposición de Li0.45NiO2 con el electrolito | 450 | Pico de temperatura de liberación de oxígeno ~230°C |
7 | 150-300 | Descomposición de Li0.2Mn2O4 con el electrolito | 450 | Pico de temperatura de liberación de oxígeno ~300°C |
8 | 130-220 | Reacción del disolvente con LiPF4 | 250 | Energía baja |
9 | 240-350 | Reacción entre Li2C4 y PVDF | 1500 | Crecimiento de cadena intenso |
10 | 660 | Fusión del colector de corriente de aluminio | -395 | Endotérmico |
2. Causas de la Sobrecalentación de las Baterías de Litio
(1) Abuso Mecánico
Como la compresión, el impacto, la perforación, etc., bajo la acción de una fuerza externa, la batería de litio (celda) se deforma, se daña el separador y se produce un cortocircuito entre los electrodos positivo y negativo, lo que provoca la sobrecalentación.
(2) Abuso Térmico
Las principales fuentes de calor durante el funcionamiento prolongado de las baterías de litio en entornos de alta temperatura incluyen el entorno externo de alta temperatura, el calor de polarización, el calor de reacción y el calor de descomposición generados durante el uso.
(3) Abuso Eléctrico
La sobrecarga de las baterías de litio conduce a la destrucción de la estructura del material activo, la descomposición del electrolito y la generación de gases, lo que resulta en un aumento de la presión interna de la batería.
Esto también incluye la descarga excesiva y la carga a altas tasas (que superan las especificaciones).
3. Mecanismo de Descontrol Térmico de las Baterías de Litio en Diferentes Temperaturas Ambientales
(1) Bajas Temperaturas
Los principales factores de riesgo provienen de la deposición de litio en el lado negativo y la generación de dendritas de litio.
(2) Temperatura Ambiente
Los principales factores de riesgo provienen de la generación de calor debido a la polarización (polarización óhmica, polarización electroquímica, etc.) o la generación de calor durante la carga/descarga a alta velocidad.
(3) Altas Temperaturas
Los principales factores de riesgo provienen de la falla de los materiales, incluyendo la descomposición de la capa sólida-electrolito (SEI), la contracción del separador y más.
4. Medidas Preventivas para Evitar el Descontrol Térmico de las Baterías de Litio
(1) Instalación de válvulas de seguridad, con un estricto control sobre el rango de presión.
(2) Instalación de resistencias térmicas para prevenir la sobrecarga o cortocircuito de la batería.
(3) Gestión térmica precisa a través del Sistema de Gestión de Baterías (BMS), utilizando métodos como el enfriamiento con agua o aire para reducir la temperatura de la batería durante su uso.
(4) Uso de aditivos en el electrolito para reducir su inflamabilidad.
(5) Mejora de la calidad de la película sólido-electrolito (SEI), como la adición de LiCF3SO3 al electrolito para aumentar los componentes inorgánicos en el SEI.
(6) Prevención de reacciones entre el material del electrodo positivo y el electrolito, como el uso de aditivos en el electrolito o el recubrimiento del material del electrodo positivo.
(7) Aumento del punto de fusión del separador, como la aplicación de capas cerámicas en ambos lados del separador.
(8) Uso estandarizado de baterías de litio para minimizar o eliminar factores humanos como la sobrecarga y la sobre-descarga.
