¿Qué es el descontrol térmico en el almacenamiento de energía?

En los últimos años, con el crecimiento explosivo de la demanda de almacenamiento de energía, la seguridad del almacenamiento de energía ha vuelto a atraer la atención.

Entre numerosos sistema de almacenamiento de energía de batería En cuanto a los incidentes de seguridad, el análisis estadístico ha revelado que los principales factores que causan estos incidentes incluyen: fugas térmicas de las baterías de iones de litio, defectos en baterías individuales celdas de batería , daños mecánicos, sobrecalentamiento o cortocircuitos externos.

La fuga térmica es el término más conocido y buscado. Entonces, ¿qué es exactamente la fuga térmica?

El descontrol térmico se produce cuando una batería electroquímica eleva su temperatura de forma incontrolable mediante autocalentamiento.

Cuando el calor generado por una batería con fuga térmica excede su capacidad de disipación, una mayor acumulación de calor puede provocar incendios, explosiones y liberación de gases. Si la fuga térmica en una celda de la batería desencadena fugas térmicas en otras celdas del sistema, se denomina propagación de fuga térmica.

Entonces, ¿cuáles son las causas del descontrol térmico?

Los factores que inducen el descontrol térmico en baterías de iones de litio Se pueden clasificar en tres tipos: maltrato mecánico (perforación, deformación por aplastamiento, impacto externo), maltrato eléctrico (sobrecarga, sobredescarga, cortocircuitos) y maltrato térmico (fallo del sistema de gestión térmica). El maltrato mecánico puede inducir fácilmente cortocircuitos internos en las baterías de litio, lo que provoca fugas térmicas. El maltrato eléctrico, como la sobrecarga y la sobredescarga, puede desencadenar reacciones internas secundarias, causando un sobrecalentamiento localizado de las celdas de la batería y provocando fugas térmicas. Los cortocircuitos externos son un estado peligroso de descarga rápida de la batería, donde corrientes extremadamente altas provocan un aumento rápido de la temperatura e incluso pueden fundir las pestañas de la batería. En condiciones de maltrato térmico, el sistema de gestión térmica suele fallar, lo que provoca la contracción y descomposición del separador interno, lo que finalmente provoca cortocircuitos internos y fugas térmicas.

Además, el propio estado de la batería también es un factor importante en la causa de la fuga térmica. Con el aumento del número de ciclos de carga y descarga y la inducción de impurezas durante la producción de dendritas, reacciones secundarias adversas pueden provocar la formación de dendritas metálicas que pueden perforar fácilmente el separador y causar cortocircuitos internos localizados.

La investigación sobre el descontrol térmico de las baterías causado por el abuso térmico se basa en el modelo de escape térmico por sobrecarga acoplada electroquímica-térmica de las baterías de iones de litio, establecido en la literatura. Las baterías de iones de litio suelen comenzar a autocalentarse cuando la temperatura alcanza los 80 °C. Cuando la gestión térmica de la batería no libera eficazmente el exceso de calor, su temperatura aumenta de forma descontrolada, propagándose desde las celdas individuales a todo el conjunto de baterías, lo que desencadena una serie de reacciones secundarias y provoca un descontrol térmico.

El abuso térmico no ocurre espontáneamente dentro de la batería. Generalmente se debe a abuso mecánico u otras razones que elevan la temperatura interna de la batería hasta un umbral, lo que provoca un calentamiento localizado y provoca abuso térmico, lo que a su vez induce un descontrol térmico y combustión espontánea.

Mientras tanto, la fuga térmica también se utiliza como método de investigación para estudiar el proceso de fuga en baterías experimentales y detectar las características de seguridad durante la misma. En 1999, KITOH et al. realizaron una investigación sobre la monitorización de las características de seguridad de la fuga térmica en baterías de alta densidad energética, basándose en métodos de calentamiento externo. Desde entonces, el método de energía adiabática se ha utilizado ampliamente para comprobar el umbral de temperatura de fuga térmica en baterías de iones de litio. La investigación actual sobre el abuso térmico se centra principalmente en la combustión de baterías inducida por radiación externa. Liu Mengmeng estableció un modelo multiendógeno de generación transitoria de calor y un modelo de acoplamiento electroquímico-térmico, y estudió las características de seguridad de las baterías tras la combustión espontánea causada por abuso térmico, basándose en el método de calentamiento por radiación. Descubrieron que la combustión de las baterías se puede dividir en tres etapas: combustión por chorro, combustión estable y combustión por chorro secundario. LI et al. estudiaron el efecto de la corriente de descarga sobre la temperatura en un contexto de fuga térmica causada por abuso térmico. Descubrieron que, cuando la corriente de descarga es constante, la pérdida de masa, los parámetros característicos de seguridad, la temperatura de inicio de la fuga térmica y la temperatura máxima durante la fuga térmica dependen de la capacidad de la batería.

Investigación sobre el descontrol térmico de las baterías causado por el abuso de la electricidad: Las causas comunes del descontrol térmico de las baterías incluyen la sobrecarga y la descarga excesiva, los cortocircuitos internos y los cortocircuitos externos.

(1) Sobrecarga y sobredescarga: durante un ciclo normal de carga y descarga de una batería de iones de litio, el BMS ( Sistema de gestión de batería ) bloquea la corriente de carga según el estado de carga. Cuando falla el BMS, la sobrecarga puede provocar fácilmente accidentes graves de combustión espontánea. Continuar la carga después de alcanzar el umbral de SOC hace que el litio metálico se adhiera a la superficie del material activo del electrodo negativo. El litio adherido reacciona con el electrolito a cierta temperatura, liberando una gran cantidad de gas a alta temperatura. Simultáneamente, el material activo del electrodo positivo comienza a fundirse debido a una deslitiación excesiva y una gran diferencia de potencial con el electrodo negativo. Una vez que el potencial del electrodo positivo excede el voltaje seguro del electrolito, este también experimentará una reacción de oxidación con el material activo del electrodo positivo. La sobrecarga también causa una serie de reacciones secundarias, como calentamiento óhmico y desbordamiento de gas, que agravan la aparición de fugas térmicas. El Dr. Ye Jiana descubrió que los gases liberados durante la sobrecarga de las baterías de iones de litio consisten principalmente en CO₂, CO₂, H₂, CH₃, C₂H₂ y C₂H₃, y el volumen del gas y el calor aumentan con el aumento de la corriente de carga. Utilizando un calorímetro acelerado combinado y un comprobador de ciclos de batería, los experimentos mostraron que la sobrecarga basada en voltaje-corriente constante es mucho más peligrosa que la sobrecarga bajo condiciones de corriente constante directa. Ren et al., basándose en el rendimiento de sobrecarga de cátodos de material compuesto y ánodos de grafito bajo diferentes entornos experimentales, consideraron exhaustivamente los efectos de la corriente de carga, los materiales separadores y los sistemas de disipación de calor. Su investigación encontró que la liberación de calor durante la sobrecarga de baterías NCM no está significativamente relacionada con la corriente de carga; el punto de fusión de diferentes materiales separadores y la deformación e hinchamiento de la batería son los principales factores que contribuyen al descontrol térmico en las baterías de iones de litio. Wang et al. analizaron la trayectoria de propagación térmica y la trayectoria de escape de gas a alta temperatura de las baterías de litio bajo condiciones de sobrecarga, encontrando que el calor generado por la reacción del litio depositado con el electrolito durante la sobrecarga representa más del 43%. Zhang et al. estudiaron el mecanismo de degradación de la capacidad de la batería en función del voltaje diferencial de capacitancia incremental y descubrieron que una sola sobrecarga tiene poco efecto en la capacidad de la batería, pero después de una sobrecarga hasta el punto de deslitiación del material activo del electrodo positivo, afecta gravemente la estabilidad térmica del paquete de baterías.

La sobredescarga causa mucho menos daño; es poco probable que una sobredescarga prematura provoque una fuga térmica en la batería, pero sí afecta su capacidad. Zhou et al. estudiaron las características de descarga de baterías ternarias de litio de níquel-cobalto-manganeso (NCM) tras una sobredescarga. Durante la descarga estática, el grado de cortocircuito interno de la batería de litio NCM disminuye, la resistencia aumenta y la corriente de descarga disminuye. Los experimentos muestran que cuanto mayor es la profundidad de descarga, mayor es la degradación de las celdas individuales dentro del paquete de baterías. Ma et al. descubrieron en experimentos de sobredescarga de baterías de litio que la sobredescarga no altera la estructura del material activo de la batería, pero sí provoca la disolución del colector de corriente del electrodo negativo, aumenta el espesor de la película SEI y acelera el envejecimiento de la batería.

Cortocircuito externo

Los cortocircuitos externos también son una causa importante de fugas térmicas en baterías de energía. Chen et al. establecieron un nuevo modelo de acoplamiento electrotérmico basado en un modelo de generación, distribución y propagación de calor. Diversos estudios demuestran que la temperatura máxima de las baterías de iones de litio en condiciones de cortocircuito externo se produce en el borde de la pestaña. Ma et al. descubrieron que, en condiciones de cortocircuito externo en baterías de energía, el calor generado por reacciones secundarias es mucho menor que el calor generado por procesos electroquímicos. Además, la generación de calor electroquímico se correlaciona positivamente con el estado de carga inicial (SOC), pero negativamente con la tensión térmica máxima.

Cortocircuito interno

Los cortocircuitos internos que ocurren dentro de la batería son difíciles de detectar para el sistema BMS y son una de las principales causas de fugas térmicas en las baterías de iones de litio. Cuando la batería se sobrecarga o se descarga en exceso, las dendritas de litio crecen gradualmente hasta penetrar la película SEI, lo que provoca un cortocircuito interno y provoca rápidamente un aumento incontrolable de la temperatura y fugas térmicas. Además, los daños en la red causados por procesos de fabricación inadecuados o las rebabas en el colector de corriente también pueden causar cortocircuitos internos.

Huang et al. crearon un cortocircuito interno mediante la incorporación de una aleación de bajo punto de fusión en el separador y su perforación. Utilizaron un microtermopar tipo K para medir la temperatura local y recopilaron datos sobre la distribución de la propagación del calor causada por el cortocircuito interno. Zhang et al. incorporaron una aleación de níquel-titanio con bajo umbral de temperatura de deformación en el separador o colector de corriente y la calentaron hasta que se deformó y perforó el separador, logrando así un cortocircuito interno. Los experimentos revelaron que la principal fuente de calor para la fuga térmica se produjo durante la reacción entre el colector de corriente positivo y el electrodo negativo, lo que provocó un cortocircuito y el consiguiente aumento rápido de la temperatura. Los cortocircuitos internos entre los electrodos positivo y negativo, salvo la carbonización parcial, no causaron fugas térmicas graves.

Investigación sobre el descontrol térmico de las baterías debido al abuso mecánico

Las baterías de automoción inevitablemente sufren fallos mecánicos debido a accidentes durante su uso. Si la batería se deforma por fuerzas externas, como una perforación o compresión, puede provocar cambios estructurales internos, incluso provocando un contacto directo entre los electrodos positivo y negativo en condiciones de tensión extrema, lo que provoca un cortocircuito interno y una fuga térmica. Por lo tanto, es fundamental investigar la fuga térmica de las baterías debido al maltrato mecánico. Investigadores como Fan Wenjie y Xu Huiyong han realizado estudios sobre la fuga térmica causada por el maltrato mecánico basados en el modelado de elementos finitos y el análisis de monitorización numérica.

WANG et al. realizaron una investigación basada en los cambios en el área transversal de una batería de iones de litio tipo bolsa tras una colisión. Experimentos de perforación revelaron la aparición de numerosas deformaciones localizadas y capas de fractura por cizallamiento dentro de la batería durante el proceso de perforación. El desgarro del colector de corriente y del material activo del electrodo positivo, así como la perforación del separador debido a la reorganización estructural interna de la batería, fueron las causas principales de la fuga térmica interna por cortocircuito. Lamb et al. estudiaron el estado de deformación de baterías cilíndricas de iones de litio 18650 en condiciones de perforación mediante tomografía computarizada (TC). Los experimentos revelaron que el fenómeno de penetración entre los electrodos positivo y negativo exacerbó los cortocircuitos internos, y que la lámina de aluminio adherida se fundió durante el cortocircuito, formando numerosas perlas metálicas en la grieta de la perforación. Li et al. establecieron modelos de análisis de elementos finitos para diversos estados de desgaste mecánico basados en la perforación y la compresión, y desarrollaron un algoritmo de aprendizaje para predecir la fuga térmica de las baterías utilizando parámetros de baterías agotadas. Analizaron el impacto del abuso mecánico en la seguridad de las baterías de iones de litio a partir de ocho tipos de parámetros, incluida la fuerza de impacto, el ángulo de colisión y el rango de deformación, reduciendo significativamente la carga computacional.

El abuso mecánico en aplicaciones reales es mucho más complejo que los simples experimentos de perforación o compresión. Las simulaciones experimentales por sí solas no permiten comprender a fondo las características de seguridad del abuso mecánico de las baterías. La solución fundamental reside en optimizar las posiciones de instalación de las baterías, establecer sistemas BMS fiables y optimizar el diseño general del chasis del vehículo durante el diseño de los paquetes de baterías de potencia para minimizar la deformación y la compresión de estos durante las colisiones.