¿Por qué se descontrola la temperatura de la batería? ¿Será esta la causa del cortocircuito?

Autor: Iflowpower – Proveedor de centrales eléctricas portátiles

Las baterías de litio de alta potencia son las favoritas de la industria de las baterías hoy en día, sin embargo, cuanto mayor sea la energía, mayor será la seguridad. El mecanismo de fallo de la batería también es muy complicado. Al estudiar el mecanismo de control térmico de la batería, anteriormente se ha podido analizar la respuesta térmica a un solo módulo de batería, como cátodos, ánodos, diafragmas y electrolitos.

Por ejemplo, la contracción del diafragma o el cierre incompleto seguramente aumentarán la densidad de corriente, lo que provocará un sobrecalentamiento local o incluso provocará un descontrol térmico de la batería. Por lo tanto, la preparación de un diafragma de alta estabilización térmica es una de las formas de mejorar la seguridad de la batería. Sin embargo, el problema radica en cómo el diafragma estabilizador de alta temperatura puede resolver el problema de seguridad de la batería. El electrolito sólido (electrolito sólido cerámico y polimérico que reemplaza al diafragma y electrolito tradicionales), tan solicitado hoy en día, ¿puede reducir significativamente la seguridad de la batería? Recientemente, el equipo Ouyang Ming Te de la Universidad de Qinghua señaló que el diseño de seguridad de las baterías de litio no solo busca mejorar la seguridad de un solo material, sino que debe comenzar desde el nivel del sistema.

El autor tiene en cuenta los factores del nivel de la batería y del material, y estudia el mecanismo de control térmico de la batería de litio. El estudio se basa en el grafito como ánodo, capa monocristalina Li0.5Mn0.

3CO0.2O2 (NMC532) es una batería de litio de potencia tipo 25aH de tejido no tejido PET/cerámica como diafragma. Los autores analizan el gas del cátodo, la transformación estructural (de fase) y la generación de calor cuando no hay ánodo, cuando hay un estado activo y se analiza el cátodo.

Se propone que si el O₂ liberado por el cátodo puede reaccionar con un ánodo, ¡podría constituir un grave problema de seguridad! A través de las dos partes del experimento de diseño del mecanismo de seguridad, el autor primero realiza pruebas de arco de toda la batería, seguidas de las de sus diversos componentes. Entre ellos, la prueba EV-ARC registra todo el proceso de fuera de control térmico de la batería, y se encuentra que la temperatura de pérdida de calor de la batería es incluso más baja que la temperatura de contracción térmica de la membrana, lo que indica que la batería no se ha producido debido a la falla del paso. Cortocircuito de área grande.

Este es el primer reporte sin descontrol térmico en caso de cortocircuito interno. Para estudiar los mecanismos específicos de conducción del calor, el equipo utiliza tecnología DSC para analizar el flujo de calor (cátodo, ánodo, electrolito y combinación de ellos) de los diferentes componentes de la batería; utiliza tecnología XRD de alta temperatura en línea para determinar el cátodo durante el calentamiento y la descomposición térmica. Además, el autor utiliza tecnología de análisis térmico sincrónico (DSC-TG) y espectrometría de masas (MS), detectando el calor, la pérdida de peso y el proceso de liberación de gases. Para confirmar aún más la conclusión, el autor congelará rápidamente el nitrógeno líquido a 206 °C, y realizará una serie de pruebas posteriores, que incluyen pruebas SEM, ICP-OES y XPS, incluidas pruebas SEM, ICP-OES y XPS.

Figura 1 Propiedades básicas de la batería de litio: a. Rendimiento circulante y eficiencia Kurun; b. Rendimiento ultrarrápido La batería de litio de alta potencia exhibe un buen rendimiento de ciclo y rendimiento de ampliación.

La capacidad de descarga de la primera semana es de 25,04 Ah, sigue siendo de 24,08 Ah después de 292 semanas y la tasa de retención de capacidad es tan alta como el 96%.

Incluso a 4 °C, todavía hay capacidad de 21,5 Ah. Figura 2 Medición del descontrol térmico de la batería de litio de potencia utilizando EV + ARC.

La imagen pequeña es la fase del piloto automático (0-105 s), los autores utilizan EV + ARC para monitorear el descontrol térmico de la batería de litio. T1 es la temperatura inicial del autocalentamiento, T2 es la temperatura de fuera de control térmico (TR), T3 es la temperatura más alta. T1 es 115.

2 ¡ã C. Registro exacto del instrumento bajo este proceso de aumento de temperatura (T1→T2) reacción química secundaria. En primer lugar, la descomposición de la película SEI del ánodo hace que el ánodo expuesto al electrolito forme una nueva película SEI y el calor también es calor; SEI se repite constantemente, lo que da como resultado la desaparición y el aumento de los componentes inorgánicos del componente de carbonato de la superficie del ánodo; se produce la reacción secundaria, lo que hace que la temperatura aumente hasta la temperatura de pérdida de calor TR (T2 = 231 ¡ã C).

En este momento, el índice de temperatura de la batería está aumentando y la reacción exotérmica es extremadamente intensa. Con la batería se libera una gran cantidad de humo; además, la expansión del volumen de la batería es muy evidente, lo que demuestra que la reacción secundaria exotérmica de este proceso es causada por un gas. Después de alcanzar T2, la temperatura de la batería, en unos pocos segundos, aumenta rápidamente a 815 °C para lograr el valor más alto T3.

Figura 325AHSC-NMC532 / Caracterización térmica fuera de control del grafito A. La relación entre la tasa de pérdida de calor, la tasa de aumento de temperatura, el voltaje de la batería y la resistencia interna y la temperatura absoluta; B. Antes de la pérdida de calor, la resistencia interna sigue el cambio de temperatura absoluta (parte de la figura). Cuando la temperatura está fuera de control, el voltaje de la batería varía con las temperaturas absolutas en un estudio más completo de la reacción interna de la batería.

Cuando se prueban los autores, se registran los cambios en tiempo real del voltaje y la resistencia interna. Figura 3A, después de que el punto de inflexión de la tasa de aumento de temperatura ocurre después de 160 °C, T1 (115,2 °C), que está relacionado con la formación repetida del SEI y la descomposición de LiPF6, este proceso acelera la producción de calor y gas.

El cambio de voltaje muestra que se produce un descontrol térmico (T2 = 231 °C), el voltaje se mantiene por encima de 2,0 V, lo que demuestra que no hay cortocircuito. Los cambios en la resistencia interna de la batería se dividen en cuatro fases: etapa I ( <145 ¡ã C), the internal resistance is slow to 22.

1M. Menor dependencia; etapa II (145175 °C), resistencia interna 22,1 m→143.

3 metros. La bolsa de la batería se rompe a 145 °C, acelera el ataque del electrolito, provocando un aumento de la resistencia interna; el aumento de la impedancia del cátodo también aumenta la resistencia interna de la batería; la descomposición de la superficie del ánodo SEi provoca nuevos componentes inorgánicos crecientes, reduciendo la conductancia iónica, también resultando en una mayor resistencia interna de la batería; etapa III (180231 °C), resistencia interna 143,3 m→56.

5 metros. Antes de la pérdida de calor, la reducción de la resistencia interna se debe a la disolución del metal de transición y la descomposición de la sal de litio, se confirmará más adelante; etapa IV (>231 °C), resistencia interna 56,5 m→1011.

2 metros. Después de la pérdida de calor, la batería se quema, el voltaje cae rápidamente en unos pocos segundos y la resistencia interna aumenta rápidamente a 1011,2 m.

En este momento, el diafragma se desintegra y la batería falla por completo. Figura 4 Estructura de sellado no tejido de cerámica PET y estabilidad térmica: telas no tejidas de cerámica PET después de la prueba de estabilidad térmica (temperatura ambiente 450 °C), escaneo SEM, temperatura ambiente y morfología de 450 °C y mapeo de elementos Después de 500 °C a temperatura ambiente, el flujo de calor DSC y la pérdida de peso TGA del diafragma se perdieron, la tasa de aumento de temperatura fue de 10 °C / min; Diafragma de tela no tejida de cerámica PET, ilustración de una foto SEM ampliada de Al2O3; vista en sección transversal, partículas de Al2O3 Las fibras de tela no tejida de PET envueltas en diafragma convencional de PP y PE mostraron una excelente estabilidad térmica. Como se muestra en la Figura 4A, a 230 °C durante 30 min, solo se produce una contracción térmica muy pequeña (1.

2%). Como se muestra en la Figura 4B, el PET se funde con transferencia de calor a 257 °C y la degradación acompaña al peso a 432 °C. El SEM de la Figura 4C indica que las nanofibras de PET no tejidas están incrustadas en partículas cerámicas, no en un revestimiento de doble cara de partículas cerámicas.

La sección SEM de la figura 4C indica que el diafragma es 19.5μM Figura 5 Pruebe las condiciones de conducción de calor de cada componente del estado de carga de la batería a través del DSC: a. Cuando la solución electrolítica está presente, el electrodo de carga (Ce); b.

En presencia de electrolito, el electrodo de carga. Un ánodo; cátodo CA; electrolito ELE; electrodo cargador CE La Figura 5a indica que el cátodo y el ánodo son mucho menores que la generación de calor de la coexistencia del cátodo y el ánodo; la Figura 5B muestra que la presencia o ausencia de electrolito no tiene un impacto significativo. Por lo tanto, independientemente de si el electrolito está presente o no, se mezcla el cátodo y el ánodo, habrá mucho calor.

El autor especula que existe un uso mutuo entre el cátodo y el ánodo, que puede ser una reacción química. Figura 6 Transformación estructural, generación de calor y liberación de O2 del material del cátodo de carga: a. XRDB de alta temperatura.

A diferentes temperaturas, se mide el calor in situ y la liberación del sistema DSC y TGA-MS cuando la temperatura es alta, el NMC de ditio no es estable y la transformación estructural acompañará la liberación de O2. El autor especula que la causa del descontrol térmico es la liberación del uso mutuo entre el O2 y el ánodo. La figura 6A muestra que el NMC 532 comienza a cambiar la transición de la estructura en capas a la estructura de espinela a 350 °C hasta 350 °C.

La figura 6B muestra que la curva MS del estudio de las curvas DSC de calor y la liberación de O2 es consistente con la variación estructural, y hay un pico a 276 °C, lo que significa una transformación de fase grave. La figura 7 se encuentra entre el cátodo del estado de carga y el ánodo, la interferencia entre el nivel de reacción química: un cátodo de carga separado, un pico de fuerte liberación de oxígeno; sin embargo, cuando el cátodo y el ánodo del estado de carga están presentes, básicamente no hay dosificación. Sin embargo, en el mismo intervalo de temperatura, la producción de calor es significativamente mayor y el estado de carga se libera a altas temperaturas según el esquema de interferencia mutua de la reacción química, y solo se libera una pequeña cantidad de calor; cuando hay un ánodo, el calor de O2 está fuera de control. Por lo tanto, para la seguridad del sistema de batería de litio mecánica, el sistema de gestión térmica debe intervenir antes de que se produzca un descontrol térmico; de lo contrario, es difícil evitar que la batería se dispare incluso si el nitrógeno líquido tiene la función de disipación de calor más fuerte.

Figura 8 Durante la ocurrencia de pérdida de calor, la caracterización del nitrógeno líquido se congela con nitrógeno líquido, la curva de cambio de nitrógeno líquido, temperatura y voltaje de la batería se agrega a 206 ¡ã C, y la ilustración es la superficie frontal (I) y la superficie lateral de la batería después del enfriamiento con nitrógeno líquido (II) Foto; Estructura de laminación tipo Z y batería después del enfriamiento en nitrógeno líquido a 206 ¡ã C, foto nitrógeno líquido en el cátodo interno, ánodo y diafragma, rápidamente hasta -100 ¡ã C en la batería de 206 ¡ã C, aunque el lado de la bolsa previa a la batería está entreabierto (Figura 8A). La figura 8B muestra el módulo de batería descompuesto, sin orificios visibles ni superficie dañada, lo que indica que mantiene la estabilidad del voltaje y previene eficazmente el cortocircuito; la superficie del cátodo y el diafragma correspondiente son cinturón negro, que es deposición de metal de transición Ni, CO, MN No significativo.