¿Son seguras las pilas de litio? Riesgos de las pilas y comparación

¿Cómo funcionan las pilas de litio?

Antes de entrar en el problema de si las baterías de litio son seguras, a continuación presentaremos el principio de funcionamiento de la batería de litio a partir de tres partes: proceso de carga, proceso de descarga y tablero de protección de la batería:

1. Proceso de carga de la batería de litio

El cátodo de la pila está generado por iones de litio, y los iones de litio generados "saltan" al electrolito desde el cátodo, se "arrastran" por los pequeños agujeros tortuosos del separador a través del electrolito y se desplazan hasta el ánodo. Los electrones en el ánodo están enlazados.

● La reacción en el cátodo es: LiCoO2==carga==Li1-xCoO2+Xli++Xe (electrón)

● La reacción en el ánodo es: 6C+XLi++Xe=====LixC6

Durante el proceso de carga, el Li+ sale del cátodo LiCoO2, entra en el electrolito, y se desplaza hacia el ánodo bajo la acción del campo eléctrico externo añadido por el cargador de batería. Entrar en el ánodo compuesto de grafito o coque C a su vez, y formar LiC compuesto en el ánodo.

2. Proceso de descarga de la batería de litio

Durante la descarga, tanto los electrones como el Li+ actúan al mismo tiempo, en la misma dirección pero en trayectorias diferentes.

Los electrones van del ánodo al cátodo a través del circuito externo. El ion de litio Li+ "salta" al electrolito desde el ánodo, "trepa" por el pequeño orificio curvado del diafragma, "nada" hasta el cátodo y se combina con los electrones que han pasado por encima. Lo que solemos llamar capacidad de la pila se refiere a la capacidad de descarga.

3. Tablero de protección de la batería

Como su nombre indica, la placa de protección de la batería es principalmente una placa de circuito integrado que protege las baterías recargables (generalmente denominadas baterías de litio).

La razón por la que la batería de litio necesita protección es que el propio material de la batería de litio determina que no pueda cargarse ni descargarse por sobrecarga, sobredescarga, sobrecorriente, cortocircuito y temperatura ultraelevada, por lo que la batería de litio siempre tiene un cuadro de protección y un fusible de corriente .

La imagen de arriba muestra el circuito de protección de la placa de la batería.

PTC: Termistor de coeficiente de temperatura positivo;

NTC: Termistor de coeficiente de temperatura negativo.

Cuando la temperatura ambiente aumenta, su valor de resistencia disminuye, y el uso de equipos eléctricos o equipos de carga puede responder a tiempo, controlar la interrupción interna y detener la carga y descarga.

U1 es el chip de protección del circuito, U2 son dos interruptores MOSFET conectados inversamente. En condiciones normales, tanto CO como DO de la placa de la batería U1 emiten alta tensión, y ambos MOSFET están en estado abierto, y la batería puede cargarse y descargarse libremente.

Características de las pilas de litio

1. 2. Larga vida

El ciclo de vida de la batería de plomo-ácido de larga duración es de unas 300 veces, y el máximo es de 500 veces, mientras que la batería de litio hierro fosfato tiene un ciclo de vida de más de 2000 veces. Las baterías de plomo-ácido de la misma calidad pueden utilizarse de 1 a 1,5 años como máximo, mientras que la vida útil teórica de las baterías de litio hierro fosfato que se utilizan en las mismas condiciones alcanzará de 7 a 8 años, lo que significa que la relación rendimiento-precio es teóricamente más de 4 veces superior a la de las baterías de plomo-ácido.

La descarga de alta corriente puede cargar y descargar rápidamente a una corriente alta de 2C. Con el cargador adecuado, la batería puede cargarse completamente en 40 minutos después de cargarla a 1,5C, y la corriente de arranque puede alcanzar los 2C, pero las baterías de plomo-ácido no tienen este rendimiento.

2. Sin efecto memoria

La capacidad de la batería caerá rápidamente por debajo del valor nominal de capacidad cuando la batería se carga a menudo por completo, y este fenómeno se denomina efecto memoria. Las baterías de Ni-MH y Ni-Cd tienen efecto memoria, mientras que las de litio no. No importa en qué estado se encuentre la batería, puede cargarse y utilizarse en cualquier momento, y no es necesario descargarla primero antes de recargarla.

3. Alta densidad energética

En la actualidad, la densidad energética de las baterías de litio y fosfato de hierro es inferior a 200 Wh/kg, y la densidad energética de las baterías de litio y fosfato de hierro es superior a 200 Wh/kg. batería ternaria de litio se sitúa entre 200-300Wh/kg.

El material de iones de litio utilizado en la batería de litio tiene una mayor densidad de energía, que es generalmente mayor que la de las baterías de plomo-ácido tienen alrededor de tres veces la densidad de energía, lo que significa que son capaces de almacenar más energía y por lo tanto tienen una mayor capacidad en la batería del mismo tamaño .

4. 4. Peso ligero

El volumen de la batería de litio-hierro-fosfato con la misma especificación y capacidad es 2/3 del volumen de la batería de plomo-ácido, y el peso es 1/3 del de la batería de plomo-ácido.

5. 5. Protección del medio ambiente

En general, se considera que las pilas de litio-hierro-fosfato no contienen metales pesados ni metales raros (los metales raros son necesarios para las pilas de níquel-hidruro metálico), no son tóxicas (certificado SGS), no contaminan y cumplen la normativa europea RoHS, lo que supone un certificado de pila absolutamente ecológica. Así podemos saber si las pilas de litio son seguras para el medio ambiente.

¿Cuáles son los riesgos de las pilas de litio?

Las baterías de litio tienen una alta densidad energética. Normalmente, la densidad energética de las baterías ternarias de litio supera los 200 Wh/kg, y cuanto mayor es la densidad energética, peor es la estabilidad térmica. Una vez que se produce una reacción de escape térmico, se liberará una gran cantidad de calor, que puede pasar de la ignición espontánea a la deflagración. Entonces, ¿son seguras las baterías de litio? Las principales razones de los riesgos son las siguientes:

Sobrecarga y sobredescarga

Durante el uso normal, la energía eléctrica y la energía química se convierten internamente, pero en condiciones como la sobrecarga y la sobredescarga, es fácil que se produzcan reacciones químicas secundarias en el interior de la pila.

La reacción lateral afectará al rendimiento y la vida útil de la batería a largo plazo y, en casos graves, puede generarse una gran cantidad de gas, lo que aumentará la presión en el interior de la batería y causará los problemas de son seguras las baterías de litio, como explosión e incendio.

Defecto de diseño

Por un lado, los defectos de diseño se reflejan en la búsqueda de una densidad energética excesivamente alta ignorando la seguridad. La batería NCM811 es un ejemplo típico. La proporción de níquel, cobalto y manganeso en el material del cátodo es de 8:1:1, aunque se aumenta la proporción de níquel.

Se mejora mucho la densidad energética, pero se reduce el contenido de cobalto y manganeso (el cobalto puede mejorar la estabilidad de la batería y alargar su vida útil, y el manganeso puede mejorar su seguridad y estabilidad), y se reduce mucho la seguridad.

Por otra parte, el diseño poco razonable del diafragma en la estructura de la batería, como la longitud demasiado corta de la lengüeta, puede causar riesgos potenciales para la seguridad, o la compresión del espesor de la lámina de cobre y la lámina de aluminio con el fin de ahorrar costes es también la razón de la creciente preocupación de si las baterías de litio son seguras.

Defectos en el proceso de producción

En el proceso de producción de las baterías de litio, debido a defectos del proceso o a un control laxo del proceso de producción, las impurezas o el exceso de humedad en la batería son comportamientos peligrosos, que aumentarán las reacciones secundarias de la batería, lo que provocará un aumento de la presión interna durante el uso y pueden producirse explosiones y combustión espontánea.

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

¿Son seguras las pilas de litio? En general, los problemas de son seguras las pilas de litio se manifiestan en forma de quemaduras o incluso explosiones. La causa principal de estos problemas es el desbordamiento térmico en el interior de la batería. Además, las baterías de iones de litio también pueden verse afectadas por algunos factores externos y causar problemas de seguridad, como sobrecarga, incendio, extrusión, perforación, cortocircuito, etc.

Según las estadísticas, 68% de los accidentes por incendio de baterías de iones de litio de vehículos eléctricos ocurridos a lo largo de los años se debieron a cortocircuitos internos o externos, 15% a la carga y descarga, 7% a la puesta en marcha accidental del equipo y 10% a otras causas.

Desde el punto de vista de la causa del incendio, los fallos eléctricos y la combustión espontánea son las principales causas de los incendios en vehículos eléctricos, mientras que la sobrecarga, los fallos de las celdas de la batería y los cortocircuitos en los circuitos eléctricos son las causas fundamentales de los incendios, y suscita la preocupación de si las baterías de litio son seguras.

¿Qué batería es la más segura?

¿Son seguras las pilas de litio? Las prestaciones de seguridad de las baterías de litio hierro fosfato serán superiores a las de las baterías ternarias de litio. Esto se debe principalmente a que la resistencia al calor de las baterías de litio hierro fosfato es relativamente buena, y la temperatura de fuga térmica puede alcanzar más de 800℃.

La razón por la que la batería se incendia se debe principalmente a factores como el cortocircuito, el impacto y la sobrecarga, lo que lleva a la convernación de si las baterías de litio son seguras. Cuando pasa la corriente, aparecerá una gran cantidad de calor en el sobrepotencial y la polarización óhmica, que calentará localmente la batería hasta la temperatura de la descomposición térmica del cátodo. El calor hará que la pila explote y se incendie.

El punto de ignición de la batería ternaria de litio es de sólo 200℃, y el de la batería de litio fosfato de hierro es de 800℃. Tras un accidente, la temperatura de extrusión por colisión puede superar fácilmente el valor crítico.

En otras palabras, las baterías de litio hierro fosfato no se incendiarán espontáneamente si no alcanzan los 800℃. La batería ternaria de litio es diferente. La temperatura de fuga térmica es básicamente alrededor de 200℃. Observando los incidentes de combustión espontánea de los vehículos de nueva energía, la mayoría de ellos son baterías ternarias de litio. Por lo tanto, en zonas de clima cálido, el riesgo de combustión espontánea de las baterías ternarias de litio será mayor.

¿Hay que esperar a las baterías de estado sólido?

De "estado líquido" a "estado sólido", la mayor ventaja es mejorar el problema de si las baterías de litio son seguras. Al mismo tiempo, la batería de estado sólido también puede lograr una mayor densidad de energía, una vida útil más larga, un peso más ligero y un embalaje más fácil, en resumen, para las baterías de litio existentes , hay muchos beneficios de las baterías de estado sólido. A pesar de sus numerosas ventajas, las baterías de estado sólido aún se encuentran en fase de laboratorio.

Si se quiere producir en serie, aún quedan muchos problemas por resolver en cuanto al proceso de producción, el entorno de fabricación, la selección de materiales y el control de costes. Por ejemplo, el entorno de producción tiene que ser extremadamente seco, y la temperatura del punto de rocío debe ser inferior a -40°C, y el procesamiento de electrolitos sólidos es difícil.

Debido a las dificultades técnicas, cuanto más tarde llegue la producción en serie de baterías de estado sólido, mayor será la fiabilidad. Aunque la previsión no es necesariamente exacta, tras resumir las opiniones de los especialistas, se puede juzgar que las de estado semisólido alcanzarán la producción en masa. El punto de tiempo más fiable es 2024/2025, y las baterías de estado totalmente sólido podrían estar en torno a 2030.

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