Tecnología | Comprender los peligros de las inconsistencias en las baterías de litio y cómo abordarlas

Las inconsistencias en el rendimiento de las celdas de la batería se desarrollan durante el proceso de producción y se agravan con el uso. Dentro de una misma batería, las celdas más débiles se debilitan y su degradación se acelera. La dispersión de parámetros entre celdas individuales aumenta con el envejecimiento.

Las baterías de litio se han consolidado como la principal fuente de energía para vehículos eléctricos. Ofrecen una larga vida útil, alta densidad energética y un importante potencial de mejora. La seguridad puede mejorarse y la densidad energética puede seguir aumentando. En un futuro próximo (se rumorea que alrededor de 2020), rivalizarán en autonomía y rentabilidad con los vehículos de combustible, marcando el inicio de la primera etapa de madurez de los vehículos eléctricos. Sin embargo, las baterías de litio también presentan desafíos.

¿Por qué la mayoría de las baterías de litio son pequeñas?

Las baterías de litio que vemos —cilíndricas, tipo bolsa y prismáticas— suelen tener una apariencia elegante, a diferencia de las voluminosas baterías de plomo-ácido tradicionales. ¿A qué se debe esto?

Debido a su alta densidad energética, las baterías de litio a menudo no están diseñadas con grandes capacidades. Baterías de plomo-ácido tienen una densidad energética de alrededor de 40 Wh/kg, mientras que baterías de litio Superar los 150 Wh/kg. A medida que aumenta la concentración de energía, aumentan los requisitos de seguridad.

En primer lugar, una sola batería de litio con una capacidad energética excesivamente alta puede, en caso de accidente, provocar una fuga térmica. Esta rápida reacción dentro de la batería puede disipar rápidamente el exceso de energía, creando una situación peligrosa. Especialmente cuando la tecnología de seguridad y las capacidades de control aún no están completamente desarrolladas, la capacidad de cada batería debe ser limitada.

En segundo lugar, la energía atrapada en la carcasa de la batería de litio es inaccesible para los bomberos y los extintores en caso de accidente. Los bomberos no pueden llegar al lugar ni extinguir el incendio. Solo pueden aislar el lugar y dejar que la batería reaccione por sí sola hasta que se agote la energía.

Por supuesto, por razones de seguridad, las baterías de litio actuales tienen múltiples características de seguridad diseñadas. Tomemos como ejemplo las baterías cilíndricas.

Válvulas de seguridad: Cuando la reacción interna de la batería excede el rango normal, la temperatura aumenta y se generan gases de reacción secundarios. Cuando la presión alcanza el valor de diseño, la válvula de seguridad se abre automáticamente para liberarla. En el momento en que se abre la válvula de seguridad, la batería falla por completo.

Termistores: Algunas celdas de batería están equipadas con termistores. En caso de sobrecorriente, la resistencia aumenta bruscamente tras alcanzar cierta temperatura, lo que reduce la corriente en el circuito y evita que la temperatura siga subiendo. Fusible: La celda de batería está equipada con un fusible con función de fusión por sobrecorriente. En caso de riesgo de sobrecorriente, el circuito se desconecta para evitar accidentes graves.

Problemas de consistencia de las baterías de litio

Las baterías de litio no pueden fabricarse en grandes unidades, por lo que deben organizarse en numerosas celdas pequeñas. Trabajar juntas y al unísono también puede impulsar los vehículos eléctricos a grandes alturas. Esto presenta un desafío: la consistencia.

En nuestra vida diaria, si conectamos los terminales positivo y negativo de dos pilas secas, se encenderá una linterna, ¿y a quién le importa si no coinciden? Sin embargo, la aplicación a gran escala de las baterías de litio presenta una situación mucho más compleja.

Las inconsistencias en los parámetros de las baterías de litio se refieren principalmente a inconsistencias en la capacidad, la resistencia interna y el voltaje de circuito abierto. El uso de celdas inconsistentes en serie puede ocasionar los siguientes problemas:

1) Pérdida de capacidad. Las células forman una paquete de baterías , y su capacidad sigue el "principio del barril": la capacidad de la celda más débil determina la capacidad de todo el paquete.

Para evitar la sobrecarga y la sobredescarga, la lógica del sistema de gestión de la batería está configurada de la siguiente manera: durante la descarga, cuando el voltaje de celda más bajo alcanza el voltaje de corte de descarga, todo el paquete deja de descargarse; durante la carga, cuando el voltaje de celda más alto alcanza el voltaje de corte de carga, la carga se detiene.

Por ejemplo, considere dos baterías conectadas en serie. Una tiene una capacidad de 1 C, mientras que la otra tiene una capacidad de tan solo 0,9 C. En una conexión en serie, la misma corriente fluye por ambas baterías.

Durante la carga, la batería más pequeña inevitablemente se cargará completamente primero, alcanzando el límite de carga, y el sistema dejará de cargar. Durante la descarga, la batería más pequeña inevitablemente consumirá primero toda su energía disponible, y el sistema dejará de descargarse inmediatamente.

De esta manera, la celda más pequeña siempre está completamente cargada y descargada, mientras que la celda más grande siempre utiliza parte de su capacidad. Una parte de la capacidad de la batería siempre queda sin usar.

2) Pérdida de vida útil: De forma similar, la vida útil de una batería se determina por la celda con la vida útil más corta. Esta celda probablemente sea la más pequeña. La celda más pequeña, constantemente cargada y descargada, probablemente llegue primero al final de su vida útil, sometiéndola a un esfuerzo excesivo. Cuando esta celda llega al final de su vida útil, toda la batería también lo hará.

3) Aumento de la resistencia interna: Con diferentes resistencias internas y la misma corriente, la celda con mayor resistencia interna generará más calor. Una temperatura excesiva de la batería acelera la degradación, lo que aumenta aún más la resistencia interna. La resistencia interna y el aumento de temperatura forman un bucle de retroalimentación negativa que acelera la degradación de las celdas de alta resistencia.

Los tres parámetros anteriores no son completamente independientes. Las células con mayor edad presentan mayor resistencia interna y mayor decaimiento de la capacidad. Los explico por separado simplemente para aclarar sus respectivos efectos.

Cómo abordar las inconsistencias

Las inconsistencias en el rendimiento de las celdas de la batería se generan durante el proceso de producción y se agravan durante el uso. Dentro de una misma batería, las celdas más débiles se mantienen más débiles y se deterioran con mayor rapidez. La dispersión de parámetros entre celdas individuales aumenta con el envejecimiento.

Actualmente, los ingenieros abordan las inconsistencias de las células individuales desde tres perspectivas principales: clasificación de células individuales, gestión térmica después de la agrupación y funciones de equilibrio proporcionadas por el sistema de gestión de batería cuando ocurren inconsistencias menores.

1) Ordenación

En teoría, no se deberían usar juntas celdas de baterías de diferentes lotes. Incluso celdas del mismo lote requieren un análisis para colocar celdas con parámetros relativamente similares en el mismo paquete de baterías.

El propósito del ordenamiento es seleccionar celdas con parámetros similares. Los métodos de ordenamiento se han estudiado durante muchos años y se clasifican principalmente en dos tipos: ordenamiento estático y ordenamiento dinámico.

La clasificación estática implica el cribado de celdas según parámetros característicos como la tensión de circuito abierto, la resistencia interna y la capacidad. Se seleccionan los parámetros objetivo, se introducen algoritmos estadísticos y se establecen criterios de cribado para dividir las celdas del mismo lote en varios grupos. El cribado dinámico se basa en las características que presentan las celdas de la batería durante el proceso de carga y descarga. Algunos métodos utilizan carga de corriente y tensión constantes, otros cargan y descargan mediante pulsos, y otros comparan la relación entre sus propias curvas de carga y descarga.

La ordenación estática y dinámica combinada utiliza un cribado estático para la agrupación inicial, seguido de un cribado dinámico. Este enfoque genera más grupos y mejora la precisión del cribado, pero también conlleva un aumento de costos.

Esto demuestra la importancia de la escala en la producción de baterías de litio. Los envíos a gran escala permiten a los fabricantes realizar una clasificación más detallada, lo que resulta en paquetes de baterías con un rendimiento más consistente. Si los volúmenes de producción son demasiado bajos y hay demasiados grupos, ni siquiera un solo lote puede producir un solo paquete de baterías, lo que hace que incluso los mejores métodos sean ineficaces.

2) Gestión térmica

Para solucionar el problema de la generación inconsistente de calor en celdas con resistencia interna variable, un sistema de gestión térmica puede regular las diferencias de temperatura en todo el paquete de baterías, manteniéndolas dentro de un rango estrecho. Las celdas que generan más calor experimentarán un mayor aumento de temperatura, pero sin una diferencia significativa con respecto a otras celdas, lo que resulta en una degradación menos perceptible. 3) Equilibrado

La inconsistencia entre celdas individuales puede provocar que el voltaje de algunos terminales supere constantemente al de otros, alcanzando primero el umbral de control y reduciendo la capacidad general del sistema. Para solucionar este problema, el sistema de gestión de baterías (BMS) incorpora una función de equilibrado.

Si una celda alcanza primero el voltaje de corte de carga, mientras que los voltajes de las celdas restantes se quedan significativamente por debajo, el BMS activa la función de balanceo de carga, ya sea insertando una resistencia para descargar parcialmente la celda de alto voltaje o transfiriendo energía a la celda de menor voltaje. Esto elimina el estado de corte de carga, reinicia el proceso de carga y permite que la batería se cargue más.

La inconsistencia de las celdas sigue siendo un área clave de investigación en la industria. Incluso las celdas con mayor densidad energética pueden verse gravemente afectadas por esta inconsistencia, lo que reduce significativamente el rendimiento de la batería.