En este artículo se estudia mediante experimentos y simulaciones el comportamiento de sobrecarga de una batería tipo bolsa de 40 Ah con electrodo positivo NCM111+LMO.Las corrientes de sobrecarga son 0,33C, 0,5C y 1C, respectivamente.El tamaño de la batería es de 240 mm * 150 mm * 14 mm.(calculado de acuerdo con el voltaje nominal de 3,65 V, su energía específica de volumen es de aproximadamente 290 Wh/L, que aún es relativamente baja)
Los cambios de voltaje, temperatura y resistencia interna durante el proceso de sobrecarga se muestran en la Imagen 1. Se puede dividir aproximadamente en cuatro etapas:
La primera etapa: 1
La segunda etapa: 1.2
La tercera etapa: 1.4
La cuarta etapa: SOC>1.6, la presión interna de la batería excede el límite, la carcasa se rompe, el diafragma se encoge y se deforma, y la batería se desboca térmicamente.Se produce un cortocircuito dentro de la batería, se libera rápidamente una gran cantidad de energía y la temperatura de la batería aumenta bruscamente hasta los 780 °C.
El calor generado durante el proceso de sobrecarga incluye: calor de entropía reversible, calor de Joule, calor de reacción química y calor liberado por cortocircuito interno.El calor de reacción química incluye el calor liberado por la disolución de Mn, la reacción del metal litio con el electrolito, la oxidación del electrolito, la descomposición de la película SEI, la descomposición del electrodo negativo y la descomposición del electrodo positivo. (NCM111 y LMO).La Tabla 1 muestra el cambio de entalpía y la energía de activación de cada reacción.(Este artículo ignora las reacciones secundarias de los aglutinantes)
La imagen 3 es una comparación de la tasa de generación de calor durante la sobrecarga con diferentes corrientes de carga.De la Imagen 3 se pueden sacar las siguientes conclusiones:
1) A medida que aumenta la corriente de carga, avanza el tiempo de embalamiento térmico.
2) La producción de calor durante la sobrecarga está dominada por el calor Joule.SOC<1.2, la producción de calor total es básicamente igual al calor Joule.
3) En la segunda etapa (1
4) SOC>1.45, el calor liberado por la reacción del litio metálico y el electrolito excederá el calor Joule.
5) Cuando SOC>1.6, comienza la reacción de descomposición entre la película SEI y el electrodo negativo, la tasa de producción de calor de la reacción de oxidación del electrolito aumenta bruscamente y la tasa de producción de calor total alcanza el valor máximo.(Las descripciones en 4 y 5 en la literatura son algo inconsistentes con las imágenes, y las imágenes aquí prevalecerán y se han ajustado).
6) Durante el proceso de sobrecarga, la reacción del metal litio con el electrolito y la oxidación del electrolito son las principales reacciones.
A través del análisis anterior, el potencial de oxidación del electrolito, la capacidad del electrodo negativo y la temperatura de inicio de la fuga térmica son los tres parámetros clave para la sobrecarga.La imagen 4 muestra el impacto de tres parámetros clave en el rendimiento de sobrecarga.Se puede ver que el aumento en el potencial de oxidación del electrolito puede mejorar en gran medida el rendimiento de sobrecarga de la batería, mientras que la capacidad del electrodo negativo tiene poco efecto sobre el rendimiento de sobrecarga.(En otras palabras, el electrolito de alto voltaje ayuda a mejorar el rendimiento de sobrecarga de la batería y el aumento de la relación N/P tiene poco efecto en el rendimiento de sobrecarga de la batería).
Referencias
D.Ren et al.Revista de fuentes de energía 364 (2017) 328-340
Hora de publicación: 15-dic-2022