Nas complexas condições de carga e descarga das baterias de íons de lítio durante a operação real, embora o sistema de gerenciamento de bateria possa ajudar a alcançar a operação normal o máximo possível, abuso mecânico, abuso elétrico e abuso térmico ainda podem ocorrer durante sobrecarga, descarga excessiva, temperatura excessiva e outras situações especiais. Esses abusos podem levar à rápida degradação do desempenho da bateria, resultando em curtos-circuitos internos e, por fim, causando problemas de segurança de fuga térmica.
Este artigo realiza um estudo sistemático sobre o curto-circuito interno de baterias de íons de lítio, com foco em quatro aspectos: princípios de curto-circuito interno, métodos experimentais induzidos, métodos de identificação de curto-circuito interno e medidas preventivas.
Ao realizar pesquisas nessas áreas, este artigo fornece informações sobre os métodos de identificação e medidas preventivas para curtos-circuitos internos em baterias de íons de lítio. Essas informações podem ser valiosas para a proteção de segurança e aplicação de baterias de íons de lítio.
1 Pesquisa sobre mecanismo interno de curto-circuito
As condições de acionamento de curtos-circuitos internos podem ser classificadas em três categorias: abuso mecânico, abuso elétrico e abuso térmico. O abuso mecânico envolve ações como punção e compressão da agulha, que causam deformação mecânica da bateria e ruptura parcial do separador, levando a um curto-circuito interno. O abuso elétrico resulta em revestimento de lítio e crescimento de dendritos, que preenchem as lacunas no separador e criam uma conexão entre os eletrodos positivo e negativo, causando um curto-circuito interno. O abuso térmico ocorre quando altas temperaturas causam encolhimento e colapso significativos do separador, levando a um curto-circuito interno. Quando ocorre um curto-circuito interno em uma bateria de íons de lítio, ele gera alta corrente e uma quantidade significativa de calor localizado, resultando em fuga térmica.
Curtos-circuitos internos podem ocorrer durante todo o ciclo de vida de uma bateria, e seu desenvolvimento e evolução podem ser divididos em três estágios: estágio inicial, estágio intermediário e estágio tardio, conforme mostrado na Tabela 1.
Durante o estágio inicial de um curto-circuito interno, a queda de tensão causada pelo curto-circuito é relativamente lenta e o calor gerado é mínimo, que pode ser dissipado pelo sistema de refrigeração. Como resultado, não há mudança significativa na temperatura da bateria durante este estágio. O estágio inicial pode durar muito tempo e é difícil de detectar. No estágio intermediário de um curto-circuito interno, a queda de tensão torna-se significativa e o calor gerado se acumula devido à dissipação inadequada. Isso leva a um aumento perceptível na temperatura da bateria. O estágio intermediário é relativamente curto em duração, mas suas características são mais pronunciadas, facilitando a identificação. No estágio final de um curto-circuito interno, a bateria sofre um curto-circuito generalizado, fazendo com que a tensão caia para 0V. Uma grande quantidade de calor é gerada instantaneamente, resultando em fuga térmica da bateria. O estágio final é muito curto em duração e não pode ser interrompido uma vez que ocorra. As mudanças características durante a evolução de um curto-circuito interno estão resumidas na Tabela 1.
2. Análise do método de identificação de curto-circuito interno
Para evitar o desenvolvimento de curtos-circuitos internos em baterias de íons de lítio até o estágio final, onde se tornam incontroláveis e resultam em fuga térmica, os pesquisadores há muito se dedicam ao estudo de métodos precisos para identificar curtos-circuitos internos durante os estágios iniciais. Atualmente, os métodos para identificar curtos-circuitos internos podem ser categorizados nos cinco tipos a seguir:
- Identificação de desvios com base em dados medidos: Este método requer o estabelecimento de um modelo confiável de previsão do estado da bateria. Os valores medidos em tempo real de parâmetros como tensão e temperatura durante o carregamento e descarregamento da bateria são comparados e analisados com os valores previstos do modelo. Se o desvio calculado exceder a faixa de erro permitida, é determinado que ocorreu um curto-circuito interno. No entanto, como as mudanças nos parâmetros característicos, como tensão e temperatura da bateria, não são significativas durante o estágio inicial de um curto-circuito interno, esse método tem eficácia limitada na identificação de curtos-circuitos internos em estágio inicial e não pode identificar curtos-circuitos internos em baterias paralelas.
- Método de identificação de anomalias de sinal de tensão: Este método é baseado no princípio de que as baterias baseadas em separadores cerâmicos experimentam uma queda de tensão anormal e um fenômeno de recuperação durante um curto-circuito interno. Ao detectar se o sinal de tensão da bateria exibe queda e recuperação de tensão anormal durante o processo de carga e descarga da bateria, a ocorrência de um curto-circuito interno pode ser determinada. No entanto, esse método só pode identificar curtos-circuitos internos em tipos específicos de baterias, especificamente aquelas com separadores revestidos de material de proteção porosa. Portanto, tem limitações e só pode ser aplicado à identificação de curtos-circuitos internos em baterias conectadas em série de tipos específicos de baterias.
- Método de identificação de autodescarga da bateria: Um curto-circuito interno em uma bateria inevitavelmente leva a processos anormais de autodescarga que excedem a faixa normal. Ao comparar a tensão antes e depois de um período de descanso da bateria ou usando métodos como fontes de tensão constante de referência, a presença de processos anormais de autodescarga pode ser detectada. Se tais processos forem detectados, é determinado que ocorreu um curto-circuito interno. No entanto, como esse método requer que a bateria esteja em repouso e em um estado não operacional, ele não pode ser usado para identificação em tempo real durante a operação da bateria ou para identificar curtos-circuitos internos em baterias paralelas.
- Método de identificação da consistência da bateria: Com base na suposição de que as células da bateria em uma bateria exibem consistência, esse método envolve o monitoramento de parâmetros como tensão, capacidade e carga restante de células de bateria individuais dentro da mesma bateria. Se os parâmetros de uma determinada célula de bateria se desviarem significativamente dos parâmetros normais de outras células, interrompendo assim a consistência geral da bateria, é determinado que a célula da bateria sofreu um curto-circuito interno. No entanto, como as mudanças nos parâmetros característicos, como tensão e capacidade da bateria, não são significativas durante o estágio inicial de um curto-circuito interno, esse método tem eficácia limitada na identificação de curtos-circuitos internos em estágio inicial e não pode identificar curtos-circuitos internos em baterias paralelas.
- Método especial de identificação de circuitos: Este método envolve a detecção de parâmetros como tensão e corrente em uma topologia de circuito de anel simétrico. Se forem observadas alterações na simetria dos parâmetros do circuito, a localização da célula da bateria que sofre um curto-circuito interno pode ser determinada com precisão. Este método aborda a identificação de alta precisão de curtos-circuitos internos em baterias paralelas e permite a estimativa da resistência interna. No entanto, tem desvantagens, como alto custo do equipamento e impacto potencial na consistência dinâmica da bateria.
3. Medidas internas de supressão de curto-circuito
Os fatores que podem causar curtos-circuitos internos nas baterias podem ser amplamente categorizados em dois tipos: materiais e processos de fabricação da bateria e design e uso da bateria. Aqui está um resumo dos métodos para inibir e prevenir a ocorrência de curtos-circuitos internos a partir desses dois aspectos:
3.1 Materiais e processos da bateria
Os métodos para inibir e prevenir curtos-circuitos internos podem ser alcançados principalmente por meio de vários aspectos, incluindo melhorias em materiais separadores, materiais eletrolíticos, revestimentos de eletrodos e processos de produção para reduzir defeitos de fabricação.
Usando separadores cerâmicos resistentes a altas temperaturas e baixa taxa de autodescarga, bem como eletrólitos retardadores de chama ou eletrólitos líquidos iônicos, é possível inibir efetivamente o crescimento de dendritos e reduzir o risco de curtos-circuitos internos. Ao aplicar revestimentos de baixa condutividade ou materiais com coeficiente de temperatura positivo aos coletores de corrente ou eletrodos das células da bateria, é possível reduzir efetivamente a corrente de curto-circuito interno e a geração de calor durante um curto-circuito interno, diminuindo assim a probabilidade de fuga térmica da bateria. A otimização dos processos de produção de células de bateria, separadores e outros materiais, incluindo processos de remoção de impurezas, pode ajudar a filtrar impurezas metálicas, evitar reações colaterais irreversíveis entre impurezas metálicas e o eletrólito e reduzir o risco de partículas de metal perfurarem o separador e causarem curtos-circuitos internos. Além disso, o emprego de técnicas avançadas de detecção para avaliar a integridade da estrutura interna, a precisão de fabricação e o alinhamento do eletrodo dentro da bateria pode ajudar a mitigar os riscos potenciais de curtos-circuitos internos.
3.2 Projeto e uso da bateria
Em termos de design de software de bateria, a implementação de um Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS) com estratégias apropriadas de aviso de bateria e controle de segurança permite o monitoramento em tempo real dos estados individuais das células da bateria. Isso permite a detecção oportuna da localização de curtos-circuitos internos e a mitigação imediata de quaisquer riscos de segurança. A redução do risco de curtos-circuitos internos causados por altas cargas da bateria pode ser alcançada por meio do projeto de redundância e balanceamento de células durante os processos de carga e descarga.
Em relação ao projeto de hardware da bateria, a implementação de fusíveis em camadas, como fusíveis de células, fusíveis de módulos, fusíveis de baterias e fusíveis de carga de veículos, permite a desconexão oportuna do circuito afetado por um curto-circuito interno. Isso ajuda a evitar o desenvolvimento de um curto-circuito interno. Além disso, um sistema de resfriamento interno bem projetado aumenta a capacidade de dissipação de calor, evitando assim a fuga térmica causada pelo calor excessivo que pode levar a reações de decomposição do eletrodo, eletrólito e separador. Além disso, um sistema de aquecimento interno projetado adequadamente pode pré-aquecer a bateria a uma temperatura operacional apropriada durante o carregamento em baixa temperatura, evitando o risco de fuga térmica causada pela penetração de dendritos através do separador durante o carregamento em baixa temperatura.
