¿Cuál es el problema de seguridad de las baterías de iones de litio?

La seguridad interna de las baterías de iones de litio se debe a la fuga térmica dentro de la batería y la acumulación de calor, lo que hace que la temperatura interna de la batería aumente continuamente. El rendimiento externo es el fenómeno de liberación de energía intensa, como la combustión y la explosión.

La batería es un portador de energía de alta densidad. Intrínsecamente, existen factores inseguros. Cuanto mayor sea la densidad de energía, mayor será el impacto de la intensa liberación de energía y más prominente será el problema de seguridad. Los portadores de alta energía como la gasolina, el gas natural y el acetileno tienen todos los mismos problemas, y la cantidad de accidentes de seguridad que ocurren cada año es numerosa.

Los diferentes sistemas electroquímicos, las diferentes capacidades, los parámetros del proceso, los entornos de uso y el grado de uso tienen un mayor impacto en la seguridad de las baterías de iones de litio.

Debido a que la batería almacena energía, durante el proceso de liberación de energía, cuando la velocidad de generación y acumulación de calor de la batería es mayor que la velocidad de disipación de calor, la temperatura interna de la batería seguirá aumentando. La batería de iones de litio está compuesta de material de ánodo altamente activo y electrolito orgánico, y es muy fácil tener reacciones químicas secundarias violentas cuando se calienta. Tales reacciones generarán una gran cantidad de calor, e incluso conducirán a un "descontrol térmico", que es la principal causa de provocar accidentes peligrosos en la batería.

Acerca del ciclo de vida y la seguridad de las baterías de iones de litio

La fuga térmica dentro de la batería de iones de litio indica que algunas de las reacciones químicas dentro de la batería no son las que esperábamos antes, y están en un estado incontrolable y desordenado, lo que resulta en una liberación de energía rápida e intensa. .

Entonces, veamos qué reacciones químicas hay, acompañadas de mucha generación de calor, lo que conduce a una fuga térmica.

1. Descomposición de la membrana SEI, reacción secundaria exotérmica de electrolitos

La membrana de electrolito sólido se forma durante el ciclo inicial de la batería de iones de litio. No queremos que la membrana SEI sea demasiado gruesa o deseable. Existe una película SEI razonable para proteger el material activo del electrodo negativo de reaccionar con el electrolito.

Sin embargo, cuando la temperatura interna de la batería alcanza aproximadamente 130 ° C, la película SEI se descompondrá, lo que hará que el electrodo negativo quede completamente expuesto, y el electrolito se libere en gran medida en la superficie del electrodo, lo que provocará la temperatura interna del electrodo. batería para subir rápidamente.

Esta es la primera reacción secundaria exotérmica dentro de la batería de litio y el punto de partida de una serie de problemas de fugas térmicas.

2. Descomposición térmica del electrolito

Debido a la reacción secundaria exotérmica del electrolito en el electrodo negativo, la temperatura interna de la batería aumenta continuamente, lo que provoca además la descomposición térmica del LiPF6 y el disolvente en el electrolito.

Esta reacción secundaria ocurre en un rango de temperatura de aproximadamente 130 ° C a 250 ° C, que se acompaña de una gran cantidad de generación de calor, lo que aumenta aún más la temperatura dentro de la batería.

3. Descomposición térmica del material del cátodo

A medida que la temperatura interna de la batería aumenta aún más, el material activo del electrodo positivo se descompone y esta reacción ocurre generalmente entre 180 ° C y 500 ° C con una gran cantidad de calor y oxígeno.

Diferentes materiales de electrodo positivo, el calor generado por la descomposición del material activo es diferente y el contenido de oxígeno liberado también es diferente. El material de cátodo de fosfato de litio y hierro tiene la mayor estabilidad térmica en todos los materiales de cátodo debido a que se genera menos calor durante la descomposición. Cuando los materiales ternarios de níquel-cobalto-manganeso se descomponen, se genera más calor, acompañado de una gran cantidad de liberación de oxígeno, que es propenso a la combustión o explosión, por lo que la seguridad es relativamente baja.

4. Reacción del aglutinante con material activo negativo

La temperatura de reacción del material activo negativo LixC6 y el aglutinante de PVDF comienza desde aproximadamente 240 ° C, el pico aparece a 290 ° C y la reacción exotérmica alcanza 1500 J / g.

Puede verse en el análisis anterior que la fuga térmica de la batería de iones de litio no es instantánea, sino un proceso gradual. Este proceso, generalmente causado por sobrecarga, carga y descarga de gran velocidad, cortocircuito interno, cortocircuito externo, vibración, colisión, caída, impacto, etc., causa una gran cantidad de calor dentro de la batería en un corto período de tiempo, y se acumula continuamente, empujando la temperatura de la batería aumenta continuamente.

Una vez que la temperatura sube al umbral de la reacción en cadena interna (alrededor de 130 ° C), el interior de la batería de iones de litio producirá espontáneamente una serie de reacciones colaterales exotérmicas y aumentará aún más la acumulación de calor y el aumento de temperatura dentro de la batería. . Se precipitará una gran cantidad de gas inflamable. Cuando la temperatura se eleva hasta el punto de inflamación y el punto de ignición de los disolventes internos y los gases inflamables, provocará accidentes de seguridad como quemaduras y explosiones.

La batería de iones de litio nueva ha pasado la certificación de prueba de seguridad, no representa la seguridad del ciclo de vida de la batería de iones de litio. Según el análisis que tenemos ante nosotros, en el proceso de uso a largo plazo, puede producir deposición de metal de litio en la superficie del ánodo, descomposición del electrolito y volátil, es desprendimiento del material activo del cátodo, deformación de la estructura interna de la batería, mezcla de materiales con impurezas metálicas, y muchos otros cambios inesperados, estos provocarán un cortocircuito dentro de la batería, lo que produce mucho calor. Además, una variedad de situaciones de abuso externo, como sobrecarga, extrusión, perforación de metal, colisión, caída, impacto, etc., también harán que la batería en poco tiempo produzca mucho calor, se convierta en la causa del calor. huir.

En el uso de baterías de iones de litio, no hay seguridad absoluta, solo seguridad relativa. Debemos intentar evitar el abuso y reducir la probabilidad de que ocurran eventos peligrosos. Al mismo tiempo, debemos comenzar con los componentes principales como materiales positivos y negativos, electrolitos y separadores, y elegir materiales con excelente estabilidad química y estabilidad térmica. Las propiedades retardantes de llama, en presencia de incentivos térmicos de fuga interna y externa, reducen el calor de las reacciones laterales internas o tienen una temperatura de ignición alta para evitar la fuga térmica. En la estructura de la batería y el diseño de la carcasa, se debe considerar completamente la estabilidad estructural para lograr suficiente resistencia mecánica para soportar tensiones externas y garantizar que no haya una deformación obvia en el interior. Además, también es importante considerar el rendimiento de disipación de calor. Si el calor se puede disipar a tiempo, la temperatura interna no seguirá aumentando y no se producirá una fuga térmica.

El diseño de seguridad de las baterías de iones de litio es una teoría sistemática. No es exhaustivo medir la seguridad de las baterías de iones de litio simplemente descomponiendo el calor de los materiales del electrodo positivo. Desde la perspectiva del sistema, las baterías de fosfato de hierro y litio no son necesariamente más seguras que los materiales ternarios porque hay muchos factores que en última instancia afectan la fuga térmica, y el calor generado por la descomposición del material del cátodo es solo un factor.

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