¿Cómo detener la explosión de las baterías de iones de litio debido a la fuga térmica?

La fuga térmica es un problema de larga data que ha molestado a grandes corporaciones como tesla , Samsung , y Boeing y pequeños por igual.

El Dreamliner 787 de Boeing, que Boeing anunció con un 20 % de eficiencia de combustible, quedó en tierra en 2013. En el mismo año, el Model S de Tesla fue objeto de una investigación de seguridad federal después de que se incendiara al menos 3 veces.El año pasado, Samsung retiró del mercado 2,5 millones de teléfonos inteligentes Galaxy Note 7.

Para las tres empresas, que son los principales actores de su dominio, el problema era el mismo: las baterías de iones de litio instaladas en el corazón de su producto como fuente de energía.Las baterías de iones de litio instaladas en Tesla Model S, Dreamliner 787 y Galaxy Note 7 explotaban continuamente.

¿Por qué una batería de iones de litio explota inesperadamente?

Las baterías de iones de litio son el tipo de batería más utilizado en varias industrias, pero ¿sabe qué las hace peligrosas?Si es un investigador que trabaja con baterías de iones de litio, sabrá que una de las principales razones por las que la mayoría de las baterías de iones de litio explotan es debido a la fuga térmica.

¿Qué es la fuga térmica y por qué es la causa principal de las explosiones de baterías?
En las baterías de iones de litio, el cátodo y el ánodo están separados por un delgado separador de polietileno, a veces de 10 micras.Cuando este separador se rompe, ocurre un cortocircuito que inicia el proceso llamado fuga térmica.

La fuga térmica suele ocurrir durante la carga.La temperatura sube rápidamente hasta el punto de fusión del litio metálico y provoca una reacción violenta.

Otra razón importante detrás de la fuga térmica es que otras partículas de metal microscópicas entran en contacto con diferentes partes de la batería (esto sucede todo el tiempo en el proceso de ensamblaje de la batería), lo que resulta en un cortocircuito.

Por lo general, un cortocircuito leve puede causar una autodescarga elevada y se genera poco calor porque la energía de descarga es muy baja.Pero, cuando suficientes partículas microscópicas de metal convergen en un punto, se puede desarrollar un cortocircuito eléctrico importante y fluirá una corriente considerable entre las placas positiva y negativa.

Esto hace que la temperatura aumente, lo que lleva a una fuga térmica, también conocida como 'ventilación con llama'.

Durante una fuga térmica, el alto calor de la celda defectuosa puede propagarse a la siguiente celda, causando que también se vuelva térmicamente inestable.En algunos casos, ocurre una reacción en cadena en la que cada célula se desintegra a su propio ritmo.

¿Por qué la explosión de las baterías de iones de litio es un problema importante para todos?

El teléfono inteligente en su bolsillo funciona con un batería de iones de litio .Son uno de los tipos más populares de baterías recargables para dispositivos electrónicos portátiles debido a su alta densidad de energía, su pequeño efecto de memoria y su baja autodescarga.

Más allá de la electrónica de consumo, las baterías de iones de litio son populares para aplicaciones militares, de vehículos eléctricos y aeroespaciales.Por ejemplo, las baterías de iones de litio han reemplazado a las baterías de plomo-ácido convencionales que se han utilizado históricamente para carros de golf y vehículos utilitarios.

Se espera que el tamaño del mercado global de baterías de iones de litio alcance los $ 46,21 mil millones para 2022, con una CAGR del 10,8% durante el período 2016-2022.

Para algo que se ha convertido en una parte integral de nuestra vida cotidiana a un ritmo tan rápido, estaríamos arriesgando nuestras vidas teniendo estas baterías a nuestro alrededor.

Dadas sus aplicaciones, no son fácilmente reemplazables, pero si se pudiera resolver el problema de la fuga térmica, el equilibrio se restablecería en el paraíso.

¿Cómo podemos prevenir la fuga térmica en Baterías de iones de litio ?

1. Introducción de un retardante de llama
La fuga térmica a menudo se produce por pinchazos y carga incorrecta.Para contrarrestar tales riesgos de incendio, los inventores utilizaron un fluido térmico que contiene un retardante de llama.

Un retardante de llama es un compuesto que inhibe, suprime o retrasa la producción de llamas o previene la propagación del fuego.

Aquí han microencapsulado el retardante de llama (normalmente un compuesto de bromo) en polietileno de alta densidad y han añadido agua y un compuesto de glicol para preparar el fluido térmico utilizado.El compuesto de glicol se usa aquí como "anticongelante" (los compuestos de glicol comunes que se usan son etilenglicol, dietilenglicol y propilenglicol).

Además, la invención se analiza principalmente a la luz de las baterías EV.Una batería cuando se le pide que accione un vehículo eléctrico se calienta.El fluido térmico fluye a través del contenedor y sobre los módulos de la batería.

En caso de sobrecarga o accidente automovilístico que provoque la perforación de la batería, el retardante de llama del fluido térmico actúa para reducir el riesgo de incendio.Más precisamente, las microcápsulas de compuesto de bromo se rompen cuando se alcanza la temperatura de ruptura debido al exceso de calor del fuego.El retardante de llama se libera de las microcápsulas y actúa para controlar el fuego.

2. Uso de dispositivos de iniciación de daños
Los Regentes de la Universidad de California parecen estar bastante activos en la investigación de cómo lidiar con el problema de la fuga térmica.

En 2006, presentaron una patente relacionada con electrolitos poliméricos de alto módulo de elasticidad adecuados para prevenir la fuga térmica (US8703310).Un conjunto diferente de inventores presentó esta patente (es decir, US'535) en 2013, sobre la mitigación de la fuga térmica utilizando materiales o dispositivos que inician daños.

Más precisamente, han desarrollado un mecanismo de apagado de fuga térmica que puede activarse mecánica o térmicamente (o ambos), a medida que ocurre el daño de la batería (es decir, antes o poco después de que comience la fuga térmica) y solucionar el problema antes de que pueda comenzar. .

Estas contramedidas predictivas o instantáneas son especialmente necesarias cuando una batería se somete a un impacto o alta presión (como un accidente, como mencioné también para la patente anterior US'886) y su estructura interna se daña, provocando un cortocircuito interno.

El principio básico sobre el que funciona es: cuando se aplica una carga mecánica a la batería, los iniciadores de daños pueden desencadenar un daño generalizado o la destrucción del electrodo, de modo que la resistencia interna aumenta significativamente para mitigar la fuga térmica incluso antes de que suceda.

Aquí han hablado de dos tipos de iniciadores de daño –

Iniciadores de daños pasivos

Estos iniciadores inician grietas o huecos en los electrodos tras el impacto, y tales grietas y/o huecos aumentan la impedancia interna del electrodo y, por lo tanto, reducen la generación de calor asociada con un posible cortocircuito interno.Dichos aditivos se conocen como iniciadores de grietas o vacíos (CVI).

Los daños de los electrodos pueden ser causados ​​por desprendimiento o desajuste de rigidez de las interfaces CVI-electrodo, fractura y ruptura de CVI, etc. Los ejemplos de aditivos pasivos incluyen partículas sólidas o porosas, fibras sólidas o huecas/porosas y tubos, etc. Se puede formar a partir de materiales de carbono como grafito, nanotubos de carbono, carbones activados, negros de humo, etc.

iniciador de daño activo

Estos iniciadores pueden producir un cambio significativo de volumen o forma con una carga mecánica o térmica.Los iniciadores de daños activos pueden incluir partículas sólidas o porosas, perlas sólidas o huecas, fibras y tubos sólidos o huecos/porosos, etc. Los iniciadores de daños activos pueden formarse a partir de aleaciones con memoria de forma como Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni —Ti—Pt, etc.

Las sustancias químicas que se liberan durante escapes térmicos puede ser tóxico y, en casos extremos, la fuga térmica puede causar incendios eléctricos y/o explosión de baterías.La temperatura del aire ambiente en el entorno de la batería también debe mantenerse adecuadamente.El control de estos factores reduce el potencial de escapes térmicos .

fuente: https://www.greyb.com/prevent-thermal-runaway-problem-li-ion-batteries/