Conclusiones clave:
- Prevalencia y funcionamiento: Las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente por su alta densidad de energía y su ausencia de efecto memoria. Operan mediante el movimiento reversible de iones de litio entre el cátodo y el ánodo.
- Causas de falla: Las razones comunes de falla de la batería incluyen la evaporación de electrolitos orgánicos, la fusión del separador, la liberación de oxígeno, la carga incontrolada, la carga rápida a bajas temperaturas, la descarga completa y los defectos de fabricación.
- Estrategias de prevención: Garantizar la longevidad de la batería requiere el uso de celdas de alta calidad, un diseño eficaz del paquete de baterías y un sistema de gestión de baterías (BMS) confiable.
- Importancia y características de BMS: Un BMS es crucial para monitorear el voltaje, la temperatura y el equilibrio de las celdas. Debe cumplir con estándares de seguridad como UL 1642 e IEC 62133 para celdas, y UL 991 o UL 1998 para software BMS.
Baterías de iones de litio están a nuestro alrededor, alimentando nuestros teléfonos inteligentes, computadoras portátiles, vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía renovable.
En esta publicación, exploraremos los conceptos básicos de estas baterías, incluido cómo funcionan, sus beneficios, causas comunes de fallas y métodos de prevención.
¿Por qué utilizar baterías de iones de litio?
Las baterías de iones de litio se han vuelto populares debido a su alta densidad de energía. Son superiores a las baterías de plomo-ácido, níquel-cadmio y níquel-hidruro metálico tanto en volumen como en densidad de energía basada en masa.
La transición de las baterías de níquel-cadmio a las de níquel-hidruro metálico ha llevado al uso generalizado de baterías de iones de litio. Estas baterías no sólo ofrecen la mayor densidad de energía sino que además no tienen efecto memoria. Esto significa que su capacidad no se ve afectada por una carga o descarga total o parcial.
Además, las baterías de iones de litio tienen una baja toxicidad. Especialmente el baterías de fosfato de hierro y litio, no contienen metales pesados como el cobalto. Además, tienen una vida útil más larga que las químicas alternativas, lo que garantiza confiabilidad en diversas aplicaciones.
¿Cómo funcionan las baterías de iones de litio?
Para comprender las preocupaciones de seguridad que rodean a las baterías de iones de litio, es importante comprender cómo funcionan. Como cualquier celda electroquímica, una batería de iones de litio consta de un cátodo y un ánodo. El cátodo suele contener una sal de litio, como óxido de litio o fosfato de litio, mientras que el ánodo suele estar hecho de grafito.
Cuando carga una batería de iones de litio, los iones de litio (representados por puntos negros) pasan de la sal de óxido de litio al ánodo de grafito. Este movimiento, conocido como intercalación, no implica interacción directa entre los iones y los electrones. En cambio, los electrones fluyen del cátodo al ánodo, donde reaccionan con el carbono del grafito.
Cabe mencionar que, a diferencia de las baterías de metal litio, que no son recargables, las baterías de iones de litio permiten la intercalación reversible de iones de litio. Esta innovadora innovación otorgó a John Goodenough y Stan Winningham el Premio Nobel de Química. Los iones de litio se difunden a través de un fluido electrolítico orgánico, lo que permite su movimiento de ida y vuelta entre el ánodo y el cátodo.
En la siguiente parte, profundizaremos más en el electrolito orgánico y su función para ayudar al buen funcionamiento de las baterías de iones de litio.
LCO, OVM, NCA
Comencemos hablando del cátodo y las sales de litio que se utilizan habitualmente en las baterías de iones de litio. El primero que estudiaremos es el óxido de litio y cobalto, que está muy extendido en ordenadores portátiles, herramientas eléctricas y teléfonos móviles. Cuando la batería se descarga, el litio se separa del óxido de litio y cobalto, liberando un electrón que viaja a través del cargador hasta el ánodo. Este procedimiento deja óxido de cobalto en el cátodo.
Otra sal utilizada como material catódico es el óxido de litio y manganeso. Este tipo de cátodo se utilizó en el Nissan Leaf y también se puede encontrar en varios modelos de Tesla como el Model S, Model 3 y Model X.
Por último, tenemos el óxido de aluminio, litio, níquel y cobalto, que ofrece la mayor capacidad energética por masa y volumen.
Causas de falla de la batería de iones de litio
Para evitar fallas en las baterías de iones de litio, es importante conocer los factores que pueden provocar dichos problemas. Echemos un vistazo más de cerca a algunas causas comunes.
Evaporación de electrolitos orgánicos
Si una batería de iones de litio se calienta demasiado, el electrolito orgánico del interior puede evaporarse. Esta evaporación aumenta la presión y la temperatura dentro de la celda. Como resultado, la batería puede abultarse, lo que indica la presencia de condiciones peligrosas.
Fusión del separador
Las baterías de iones de litio suelen utilizar un separador de polietileno o polipropileno. Cuando se expone a temperaturas de alrededor de 80 grados Celsius (170-180 grados Fahrenheit), este separador puede derretirse. La fusión del separador permite que el ánodo y el cátodo entren en contacto, lo que provoca un cortocircuito interno y genera calor adicional.
Liberación de oxígeno y reacciones incontroladas
Cuando una batería de iones de litio alcanza altas temperaturas, se puede liberar el oxígeno presente en los materiales catódicos como el óxido de litio y cobalto, el óxido de litio y manganeso o el óxido de litio, níquel y cobalto. Este oxígeno liberado puede reaccionar con el electrolito evaporado, provocando reacciones químicas incontroladas. El continuo cortocircuito agrava aún más la situación, por lo que es crucial abordarla con prontitud.
Carga incontrolada
Sobrecargar la batería o someterla a una carga incontrolada puede provocar la formación de litio metálico en el ánodo. El exceso de electrones se combina con iones de litio, formando dendritas que crecen a través del electrolito hasta el cátodo. Estas dendritas pueden crear cortocircuitos internos, lo que plantea graves riesgos.
Carga rápida y bajas temperaturas
Cargar la batería con corrientes muy altas o temperaturas bajas puede dificultar el movimiento de los iones de litio hacia el ánodo. En consecuencia, se puede acumular un exceso de electrones en el ánodo, provocando un revestimiento de metal de litio y posibles cortocircuitos internos.
Alta completa
Evite descargar completamente una celda de iones de litio. Una descarga excesiva puede hacer que el colector de cobre del ánodo se disuelva en el electrolito. Al recargar, el cobre puede reformarse, pero no en su estructura original en forma de lámina. Esto puede provocar un revestimiento de cobre y provocar un cortocircuito interno.
Pobre producción celular y contaminación
Las fallas de las baterías de iones de litio también pueden ocurrir debido a fallas de producción o la presencia de impurezas durante la fabricación. Estas impurezas pueden introducir contaminantes o partículas en la batería, lo que provoca cortocircuitos internos o reacciones no deseadas que aceleran la degradación de la capacidad.
Al comprender y abordar estas causas de fallas de las baterías de iones de litio, podemos trabajar para mejorar la seguridad, confiabilidad y longevidad de las baterías en diversas aplicaciones.
Prevención de fallas de la batería
Prevenir problemas en la industria de las baterías es crucial para su crecimiento y éxito continuos. Hay tres pasos clave que se pueden tomar para minimizar eficazmente la aparición de problemas.
En primer lugar, garantizar la calidad de las celdas de la batería es de suma importancia. Con la rápida expansión de la industria, han surgido numerosas instalaciones de fabricación de células, particularmente en China. Es fundamental seleccionar cuidadosamente células de alta calidad de fabricantes acreditados. Algunas instalaciones cuentan con procesos automatizados de alta tecnología y primera línea, mientras que otras pueden no cumplir con los mismos estándares. La elección de la calidad de la celda afecta directamente el rendimiento y la confiabilidad generales.
El diseño de la batería también juega un papel vital en la prevención de incidentes. Los paquetes de baterías constan de múltiples celdas dispuestas en configuraciones en serie y en paralelo, creando el voltaje y la capacidad de corriente deseados. A la hora de diseñar una mochila, es fundamental tener en cuenta una disipación eficaz del calor en caso de imprevistos. Comprender cómo responderá el paquete a posibles problemas celulares es vital para mantener la seguridad. Además, si el sistema requiere entregar cantidades sustanciales de corriente, resulta primordial garantizar una distribución eficiente a través de contactos y placas de circuito confiables.
El quid de todo es el sistema de gestión de batería (BMS). Este dispositivo actúa como guardián de la batería, monitoreando continuamente voltajes, corrientes y temperaturas para garantizar que las celdas funcionen dentro de límites seguros. En cualquier paquete de baterías de iones de litio, la presencia de un BMS integrado o externo es fundamental para proteger las celdas. El BMS no sólo garantiza la seguridad sino que también mejora la longevidad de las baterías. Dado que las baterías de iones de litio pueden durar más que los dispositivos de almacenamiento convencionales por un margen significativo, resulta imperativo priorizar su protección para un uso a largo plazo.
Para prevenir problemas en la industria de las baterías es necesario prestar especial atención a la calidad de las celdas, el diseño del paquete y la implementación de un sistema de gestión de baterías confiable. Estas medidas colectivas contribuyen a la seguridad y durabilidad generales de las baterías de iones de litio, lo que permite que la industria prospere y minimiza los riesgos potenciales.
Importancia de los sistemas de gestión de baterías
El sistema de gestión de baterías (BMS) desempeña un papel crucial en el seguimiento y control de los voltajes, corrientes y temperaturas de una batería. Su función principal es garantizar que la batería funcione dentro de límites seguros. Si el BMS detecta alguna anomalía o excede los límites de la celda, tiene la capacidad de interrumpir el proceso de carga o descarga.
En términos más simples, el BMS vigila los signos vitales de la batería. Comprueba constantemente los niveles de voltaje, el flujo de corriente y la temperatura para asegurarse de que todo funcione correctamente. Si detecta algún problema, como calor excesivo o voltaje irregular, puede tomar medidas para proteger la batería.
Una de las tareas clave del BMS es evitar la sobrecarga o descarga excesiva de la batería. La sobrecarga puede dañar las celdas de la batería y reducir su vida útil, mientras que la descarga excesiva puede provocar una degradación del rendimiento. El BMS garantiza que la batería reciba la cantidad adecuada de carga y evita que se llene o descargue demasiado.
Piense en el BMS como el guardián de la batería. Siempre está alerta, listo para intervenir y proteger la batería de posibles daños. Al monitorear y regular los parámetros de la batería, el BMS ayuda a extender su vida útil general y a mantener un rendimiento óptimo.
¿Qué características deberían estar presentes en un BMS?
Queremos compartir mi opinión sobre los requisitos mínimos que debe tener un BMS para garantizar la protección y longevidad del paquete de baterías.
En primer lugar, la protección de la tensión es fundamental. Es fundamental evitar la sobrecarga y descarga excesiva de la batería. Necesitamos mantener un rango de voltaje seguro para evitar dañar las celdas y maximizar su vida útil. Por cierto, también deberíamos considerar evitar que el paquete entregue corrientes que excedan su capacidad, no sólo a nivel de celda sino también para todo el paquete.
La protección de la temperatura es otro aspecto vital. Cuando las temperaturas aumentan demasiado, pueden producirse riesgos y fallos potenciales. Por lo tanto, es fundamental contar con mecanismos para monitorear y controlar las altas temperaturas. De manera similar, es importante tener protección de carga a baja temperatura para evitar problemas como el revestimiento de metal de litio en el ánodo debido a condiciones excesivamente frías.
Además, una característica útil, aunque no absolutamente necesaria, es la capacidad de equilibrar las celdas dentro de una serie. Las celdas en paralelo naturalmente comparten corriente y voltaje, pero las celdas en serie no. Para mantener un estado de carga uniforme (SOC) entre las celdas, se requiere un mecanismo de equilibrio o capacidad adicional para compartir corriente.
Finalmente, si bien no analizamos estándares específicos para pruebas de terceros, vale la pena mencionar que existen estándares que los laboratorios de pruebas de terceros pueden utilizar para la evaluación del cumplimiento.
Estándares
A menudo existe confusión con respecto a los diferentes listados de celdas, paquetes de baterías y sistemas de administración de baterías. Aclaremos un poco las cosas. Las celdas de iones de litio se pueden probar y homologar según las normas UL 1642 o IEC 62133.
Los paquetes de baterías, por otro lado, tienen sus propios listados. Pueden estar listados bajo UL 2050 o UL 1973, los cuales requieren el cumplimiento de UL 1642 como requisito previo. Es importante tener en cuenta que UL 1642 en sí no es una lista de paquetes, sino más bien un requisito previo para estas listas de paquetes.
En un intento por crear una lista que se aplique tanto a las celdas como a los paquetes, IEC introdujo la norma IEC 62133. Sin embargo, vale la pena mencionar que los sistemas de gestión de baterías (BMS) también tienen sus propias listas separadas.
Para el hardware, el BMS puede estar listado según UL 991, mientras que para el software, puede estar listado según UL 1998 o IEC 60730-1. Es importante tener en cuenta que UL 991 y UL 1998 no son requisitos previos para las certificaciones UL 2054 o UL 1973.
Sin embargo, si su BMS no cumple con estos estándares, deberá realizar pruebas utilizando condiciones de falla para garantizar que, incluso en caso de falla, no se cree una situación peligrosa.
Es importante recordar que esta no es una lista exhaustiva de estándares, pero quería resaltar su existencia y brindar algunas aclaraciones.
Conclusión
Al comprender el principio de funcionamiento de las baterías de iones de litio y considerar factores como la calidad de la celda, el diseño del paquete y un sistema sólido de administración de la batería, podemos mejorar la seguridad y confiabilidad de la batería. Cumplir con los estándares relevantes y realizar pruebas exhaustivas contribuye aún más a la utilización segura y eficiente de las baterías de iones de litio.
Con avances continuos en tecnología y un enfoque en la seguridad, las baterías de iones de litio seguirán desempeñando un papel importante en nuestro mundo electrificado, impulsando diversas aplicaciones y mitigando los riesgos.
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