¿Qué es la protección térmica?
La protección térmica es la forma en que una celda de iones de litio-evita que se incendie. Cada 18650 que haya usado tiene múltiples dispositivos de seguridad metidos en esa pequeña tapa superior-PTC, CID, disco de ventilación y todo. Están ahí porque la química de los iones-de litio almacena una tonelada de energía en un espacio pequeño, y esa energía encontrará una salida si algo sale mal internamente.
He estado en esta industria el tiempo suficiente para recordar cuando "fuga térmica" no era un término común. Luego vinieron las retiradas del mercado de portátiles Dell en 2006. Sony retiró millones de células. De repente, todo el mundo quería saber qué sucede cuando falla una celda de iones de litio-y, lo que es más importante, cómo detenerlo.
Fuga térmica frente a sobrecalentamiento
La gente los confunde todo el tiempo. El sobrecalentamiento ocurre cuando una celda se calienta por causas externas-la dejaste en un auto caliente, el cargador no funcionó correctamente, lo que sea. Retire la fuente de calor y la celda se enfría. Problema resuelto.
La fuga térmica es una bestia completamente diferente. Algo falla dentro de la celda-tal vez el separador se pincha, tal vez un defecto de fabricación crea un cortocircuito suave-y la celda comienza a generar su propio calor. Ese calor acelera la descomposición química, lo que genera más calor, lo que acelera aún más la descomposición. Es un circuito de retroalimentación. Cuando te das cuenta, ya es demasiado tarde para parar.
La celda acaba expulsando gases calientes y llamas, a veces de forma violenta. En un paquete de baterías, una celda que se descontrola puede cocinar a sus vecinas y desencadenar una reacción en cadena. Por eso existe la protección térmica.
La pila de protección
Abre una celda cilíndrica y mira la tapa superior. Encontrará varios dispositivos apilados allí, cada uno diseñado para detectar problemas en diferentes etapas.
PTC
El dispositivo PTC (coeficiente de temperatura positivo) es su primera línea. Es básicamente una oblea de polímero cargada con partículas conductoras. Temperaturas normales, baja resistencia, la corriente fluye bien. Si se supera los 80 grados aproximadamente, el polímero se hincha, las partículas se separan y la resistencia se dispara. La corriente cae a casi nada.
Lo que me gusta de los PTC es que se reinician. Enfriar la celda, vuelve a funcionar. Bueno para detectar cortos externos que desaparecen rápidamente.
Lo que no me gusta es cómo se comportan en cadenas en serie. Aprendimos esto de la manera más difícil durante las pruebas de la mochila hace unos años. El PTC de una celda se disparó, pero con una cadena de 48 V detrás, el voltaje simplemente se arqueó. La protección que funciona muy bien a nivel celular no siempre se extiende al nivel de la mochila.
Apagado del separador
El separador es esa membrana delgada que mantiene separados los electrodos y deja pasar los iones de litio. En un separador cerrado, el material se ablanda alrededor de 130 grados y los poros se sellan. Sin transporte de iones, sin reacción electroquímica, sin corriente.
Los diseños multicapa-capa interior de PE y capa exterior de PP-le ofrecen un margen adicional. El PE cierra el flujo de iones mientras que el PP mantiene todo mecánicamente separado por un poco más de tiempo. Nos dio tal vez entre 10 y 15 segundos adicionales en pruebas de abuso antes de que se desarrollaran cortocircuitos internos.
Una cosa para recordar: los separadores no vuelven. Si una celda se calentó lo suficiente como para provocar el apagado, esa celda está lista. Reemplácelo.
CID
El dispositivo de interrupción actual responde a la presión, no a la temperatura. Cuando las cosas empiezan a descomponerse en su interior, generan gases. El CID son dos discos delgados-soldados entre sí que se separan cuando la presión interna aumenta lo suficiente-alrededor de 1 MPa, según el diseño.
Esta es una desconexión permanente. Cuando una célula genera esa cantidad de gas, ya está dañada y ya no se puede utilizar. Lo quieres fuera del circuito.
Respiradero
Último recurso. Si la presión sigue aumentando después de la activación del CID, el disco de ventilación se rompe y deja escapar los gases. Lo que sale es inflamable y tóxico, pero una ventilación controlada es mejor que una ruptura incontrolada. Todos hemos visto videos de células que explotan como petardos-eso es lo que sucede sin una ventilación adecuada.
La capa BMS
La protección a nivel de celda-se ocupa de fallos rápidos. El sistema de administración de la batería se encarga de todo lo demás:-monitorea las temperaturas del paquete, acelera las tasas de carga cuando las cosas se calientan y desconecta los contactores si las lecturas del sensor se salen del rango.
Los dos sistemas se complementan. BMS detecta los problemas-de desarrollo lento que una buena gestión térmica puede prevenir. Los dispositivos-a nivel celular detectan las fallas internas rápidas que los sensores de superficie no pueden detectar a tiempo.
La química hace la diferencia
No todos los iones de litio-son iguales en lo que respecta a la estabilidad térmica. Sus químicas basadas en cobalto--LCO, NMC-tienen una gran densidad de energía, pero son térmicamente delicadas. El enlace cobalto-oxígeno se rompe a temperaturas elevadas y libera oxígeno que alimenta la reacción.
La LFP es más indulgente. La estructura de fosfato de hierro-se mantiene unida mejor bajo estrés térmico. Tienes más espacio entre el funcionamiento normal y la zona de peligro. Los mismos dispositivos de protección, pero no funcionan tan cerca del borde.
Esta es en gran parte la razón por la que LFP se ha hecho cargo del manejo de materiales. Los montacargas llevan una vida dura-carga rápida, cambios de temperatura y abuso ocasional. Quieres una química que pueda soportarlo. Todos los paquetes Polinovel están construidos con celdas LFP exactamente por este motivo.
