Cómo controlar la fuga térmica de las baterías de iones de litio

1. Retardante de llama de electrolito

Los retardantes de llama de electrolitos son una forma muy eficaz de reducir el riesgo de fuga térmica de las baterías, pero estos retardantes de llama a menudo tienen un impacto grave en el rendimiento electroquímico de las baterías de iones de litio, por lo que son difíciles de utilizar en la práctica. Para resolver este problema, el equipo YuQiao [1] de la Universidad de California en San Diego utilizó el método de envasado en cápsulas con retardante de llama DbA (dibencilamina) almacenado en el interior de la microcápsula, disperso en el electrolito, en Los tiempos normales no afectarán el rendimiento de las baterías de iones de litio, pero cuando las celdas son destruidas por una fuerza externa como la extrusión, los retardantes de llama en estas cápsulas se liberan, envenenando la batería y provocando que falle, alertándola así. a la fuga térmica. En 2018, el equipo de YuQiao [2] utilizó nuevamente la tecnología anterior, utilizando etilenglicol y etilendiamina como retardantes de llama, que se encapsularon e insertaron en la batería de iones de litio, lo que resultó en una caída del 70% en la temperatura máxima de la batería de iones de litio durante la prueba pin pin, lo que reduce significativamente el riesgo de control térmico de la batería de iones de litio.

Los métodos mencionados anteriormente son autodestructivos, lo que significa que una vez que se utiliza el retardante de llama, se destruirá toda la batería de iones de litio. Sin embargo, el equipo de AtsuoYamada en la Universidad de Tokio en Japón [3] desarrolló un electrolito retardante de llama que no afectará el rendimiento de las baterías de iones de litio. En este electrolito, se usó una alta concentración de NaN (SO2F) 2 (NaFSA) o LiN (SO2F) 2 (LiFSA) como sal de litio, y se agregó al electrolito un retardante de llama común trimetilfosfato TMP, lo que mejoró significativamente la estabilidad térmica. de batería de iones de litio. Es más, la adición de retardante de llama no afectó el rendimiento del ciclo de la batería de iones de litio. El electrolito se puede utilizar durante más de 1000 ciclos (1200 C/5 ciclos, retención de capacidad del 95%).

Las características retardantes de llama de las baterías de iones de litio a través de aditivos es una de las formas de alertar a las baterías de iones de litio de que se calientan fuera de control. Algunas personas también encuentran una nueva forma de intentar alertar desde la raíz la aparición de cortocircuitos en las baterías de iones de litio provocados por fuerzas externas, para lograr el propósito de retirar la parte inferior y eliminar por completo la aparición de calor fuera de control. En vista del posible impacto violento del uso de baterías de iones de litio, GabrielM.Veith del Laboratorio Nacional Oak Ridge en los Estados Unidos diseñó un electrolito con propiedades de espesamiento por cizallamiento [4]. Este electrolito utiliza las propiedades de los fluidos no newtonianos. En estado normal, el electrolito es líquido. Sin embargo, cuando se enfrenta a un impacto repentino, se presentará en un estado sólido, se volverá extremadamente fuerte e incluso puede lograr el efecto a prueba de balas. Desde la raíz, alerta del riesgo de fuga térmica provocada por un cortocircuito en la batería cuando la batería de iones de litio de potencia colisiona.

2. Estructura de la batería

A continuación, veamos cómo frenar la fuga térmica desde el nivel de las celdas de la batería. En la actualidad, el problema de la fuga térmica se ha considerado en el diseño estructural de baterías de iones de litio. Por ejemplo, generalmente hay una válvula de alivio de presión en la cubierta superior de la batería 18650, que puede liberar oportunamente la presión excesiva dentro de la batería cuando se produce un desbordamiento térmico. En segundo lugar, habrá un material PTC con coeficiente de temperatura positivo en la tapa de la batería. Cuando la temperatura descontrolada térmica aumenta, la resistencia del material PTC aumentará significativamente para reducir la corriente y reducir la generación de calor. Además, en el diseño de la estructura de la batería única también se debe considerar el diseño anti-cortocircuito entre los polos positivo y negativo, alerta por mal funcionamiento, residuos metálicos y otros factores que resultan en cortocircuitos de la batería, causando accidentes de seguridad.

Cuando se utiliza un segundo diseño en baterías, se debe utilizar el diafragma más seguro, como el diafragma de poro cerrado automático de compuesto de tres capas a alta temperatura, pero en los últimos años, con la mejora de la densidad de energía de la batería, el diafragma delgado bajo la tendencia de El diafragma compuesto de tres capas se ha vuelto obsoleto gradualmente, reemplazado por el revestimiento cerámico del diafragma, el revestimiento cerámico para el soporte del diafragma, reduce la contracción del diafragma a altas temperaturas, mejora la estabilidad térmica de la batería de iones de litio y reduce el riesgo de Fuga térmica de una batería de iones de litio.

3. Diseño de seguridad térmica del paquete de baterías

En uso, las baterías de iones de litio suelen estar compuestas por docenas, cientos o incluso miles de baterías mediante conexiones en serie y en paralelo. Por ejemplo, el paquete de baterías de Tesla ModelS consta de más de 7.000 baterías 18650. Si una de las baterías pierde el control térmico, puede propagarse en el paquete de baterías y causar graves consecuencias. Por ejemplo, en enero de 2013, la batería de iones de litio del Boeing 787 de una empresa japonesa se incendió en Boston, Estados Unidos. Según la investigación de la Junta Nacional de Seguridad en el Transporte, una batería cuadrada de iones de litio de 75 Ah en el paquete de baterías provocó una fuga térmica de las baterías adyacentes. Después del incidente, Boeing exigió que todos los paquetes de baterías estuvieran equipados con nuevas medidas para evitar la propagación térmica incontrolada.

Para evitar que la fuga térmica se propague dentro de las baterías de iones de litio, AllcellTechnology desarrolló un material de aislamiento de fuga térmica PCC para baterías de iones de litio basado en materiales de cambio de fase [5]. El material PCC se llena entre la batería de iones de litio monómero, en el caso del funcionamiento normal del paquete de baterías de iones de litio, el paquete de baterías en el calor puede pasar a través del material PCC rápidamente hacia el exterior del paquete de baterías, cuando se produce un desbordamiento térmico en iones de litio. En las baterías, el material PCC, al derretirse la cera de parafina interna, absorbe una gran cantidad de calor, lo que evita que la temperatura de la batería aumente aún más y, por lo tanto, alerta sobre el calor fuera de control en la difusión interna del paquete de baterías. En la prueba de pinchazo, la fuga térmica de una batería en un paquete de baterías que consta de 4 y 10 cadenas de paquetes de baterías 18650 sin el uso de material PCC eventualmente causó la fuga térmica de 20 baterías en el paquete de baterías, mientras que la fuga térmica de una La batería en el paquete de baterías hecha de material PCC no provocó la fuga térmica de otros paquetes de baterías.