Análisis de las causas de abultamiento y explosión de baterías de litio
May 16, 2025Análisis de las causas de abultamiento y explosión de baterías de litio
El principio de funcionamiento de las baterías de iones de litio
El litio es el metal más pequeño y activo de la tabla periódica química. Es popular entre consumidores e ingenieros debido a su pequeño tamaño y alta densidad de capacidad. Sin embargo, sus propiedades químicas son demasiado activas, lo que conlleva un peligro extremadamente alto. Cuando el metal de litio se expone al aire, producirá una reacción de oxidación violenta con el oxígeno y explotará. Para mejorar la seguridad y el voltaje, los científicos han inventado materiales como el grafito y el óxido de litio y cobalto para almacenar átomos de litio. La estructura molecular de estos materiales forma diminutas rejillas de almacenamiento a escala nanométrica que pueden usarse para almacenar átomos de litio. De esta manera, incluso si la carcasa de la batería se rompe y entra oxígeno, las moléculas de oxígeno son demasiado grandes para entrar en estas diminutas rejillas de almacenamiento, por lo que los átomos de litio no entrarán en contacto con el oxígeno y evitarán la explosión. Este principio de las baterías de iones de litio permite a las personas lograr seguridad a la vez que se obtiene su alta densidad de capacidad.
El litio es el metal más pequeño y activo de la tabla periódica química. Es popular entre consumidores e ingenieros debido a su pequeño tamaño y alta densidad de capacidad. Sin embargo, sus propiedades químicas son demasiado activas, lo que conlleva un peligro extremadamente alto. Cuando el metal de litio se expone al aire, producirá una reacción de oxidación violenta con el oxígeno y explotará. Para mejorar la seguridad y el voltaje, los científicos han inventado materiales como el grafito y el óxido de litio y cobalto para almacenar átomos de litio. La estructura molecular de estos materiales forma diminutas rejillas de almacenamiento a escala nanométrica que pueden usarse para almacenar átomos de litio. De esta manera, incluso si la carcasa de la batería se rompe y entra oxígeno, las moléculas de oxígeno son demasiado grandes para entrar en estas diminutas rejillas de almacenamiento, por lo que los átomos de litio no entrarán en contacto con el oxígeno y evitarán la explosión. Este principio de las baterías de iones de litio permite a las personas lograr seguridad a la vez que se obtiene su alta densidad de capacidad.
Al cargar una batería de iones de litio, los átomos de litio del electrodo positivo pierden electrones y se oxidan a iones de litio. Estos iones viajan al electrodo negativo a través del electrolito, entran en la celda de almacenamiento de este electrodo y obtienen un electrón para ser reducidos a átomos de litio. Al descargarse, el proceso se invierte. Para evitar que los electrodos positivo y negativo de la batería entren en contacto directo y provoquen un cortocircuito, se añade a la batería un papel de diafragma con múltiples poros. Un buen papel de diafragma también cierra automáticamente los poros cuando la temperatura de la batería es demasiado alta, impidiendo el paso de los iones de litio y evitando así riesgos.
Cuando la celda de la batería de litio se sobrecarga a un voltaje superior a 4,2 V, comienzan a producirse efectos secundarios. Cuanto mayor sea el voltaje de sobrecarga, mayor será el peligro. Cuando el voltaje de la celda de la batería de litio es superior a 4,2 V, el número de átomos de litio restantes en el material del electrodo positivo es menos de la mitad, y la celda de almacenamiento suele colapsar en ese momento, causando una disminución permanente en la capacidad de la batería. Si la carga continúa, dado que la celda de almacenamiento del electrodo negativo ya está llena de átomos de litio, el metal de litio subsiguiente se acumulará en la superficie del material del electrodo negativo. Estos átomos de litio desarrollarán dendritas desde la superficie del electrodo negativo hacia los iones de litio. Estos cristales de metal de litio pasarán a través del papel del diafragma, provocando un cortocircuito en los electrodos positivo y negativo. A veces, la batería explota antes de que se produzca el cortocircuito. Esto se debe a que, durante la sobrecarga, el electrolito y otros materiales se descomponen y producen gas, lo que provoca que la carcasa de la batería o la válvula de presión se hinche y se rompa. Esto permite que el oxígeno entre y reaccione con los átomos de litio acumulados en la superficie del electrodo negativo, provocando su explosión. Por lo tanto, al cargar baterías de litio, es necesario establecer un límite de voltaje superior para garantizar la vida útil, la capacidad y la seguridad de la batería. El límite máximo ideal de voltaje de carga es de 4,2 V.
También existe un límite de voltaje inferior al descargar baterías de litio. Cuando el voltaje de la batería es inferior a 2,4 V, algunos materiales comienzan a dañarse. Dado que la batería se autodescarga, cuanto más tiempo esté descargada, menor será el voltaje. Por lo tanto, es recomendable no detener la descarga a 2,4 V. Durante el periodo en que la batería de litio se descarga de 3,0 V a 2,4 V, la energía liberada solo representa aproximadamente el 3 % de su capacidad. Por lo tanto, 3,0 V es un voltaje de corte de descarga ideal.
Durante la carga y descarga, además de limitar el voltaje, también es necesario limitar la corriente. Cuando la corriente es demasiado alta, los iones de litio no tienen tiempo de entrar en la celda de almacenamiento y se acumulan en la superficie del material. Una vez que estos iones de litio obtienen electrones, los átomos de litio cristalizan en la superficie del material, lo cual es tan peligroso como la sobrecarga. Si la carcasa de la batería se rompe, explotará.
Por lo tanto, la protección de las baterías de iones de litio debe incluir al menos: límite superior de tensión de carga, límite inferior de tensión de descarga y límite superior de corriente.
En general, además de la celda de la batería de litio, el paquete de baterías de litio incluye una placa de protección que proporciona principalmente estas tres protecciones. Sin embargo, estas tres protecciones de la placa de protección son obviamente insuficientes, y las explosiones de baterías de litio siguen siendo frecuentes en todo el mundo. Para garantizar la seguridad del sistema de baterías, es necesario un análisis más exhaustivo de las causas de las explosiones.
Los tipos de explosiones del núcleo de la batería se pueden resumir en cortocircuitos externos, cortocircuitos internos y sobrecarga. El término "externo" se refiere al exterior de la celda de la batería, incluyendo los cortocircuitos causados por un aislamiento deficiente dentro del paquete de baterías.
Cuando se produce un cortocircuito fuera de la celda de la batería y los componentes electrónicos no logran cortar el circuito, se genera una alta temperatura en su interior, lo que provoca la vaporización de parte del electrolito y la expansión de la carcasa. Cuando la temperatura en el interior de la batería alcanza los 135 °C, un papel de diafragma de buena calidad cierra los poros, la reacción electroquímica se detiene o casi se detiene, la corriente disminuye bruscamente y la temperatura desciende lentamente, evitando así la explosión. Sin embargo, si la velocidad de cierre de los poros es demasiado baja o si los poros del papel de diafragma no se cierran en absoluto, la temperatura de la batería continúa aumentando, se vaporiza más electrolito y, finalmente, la carcasa se rompe, e incluso la temperatura de la batería se eleva hasta el punto de que el material se quema y explota.
Los cortocircuitos internos se deben principalmente a rebabas en las láminas de cobre y aluminio que penetran en el diafragma, o a dendritas de átomos de litio que lo hacen. Estos diminutos metales con forma de aguja causan microcortocircuitos. Dado que las agujas son muy delgadas y tienen cierta resistencia, la corriente puede no ser muy grande. Las rebabas en las láminas de cobre y aluminio se producen durante el proceso de producción. El fenómeno observable es que la batería presenta fugas demasiado rápidas, y la mayoría de estas pueden ser filtradas por la fábrica de celdas de batería o la planta de ensamblaje. Además, debido a que las rebabas son pequeñas, a veces pueden quemarse, de modo que la batería vuelve a la normalidad. Por lo tanto, la probabilidad de explosión causada por microcortocircuitos por rebabas es baja.
Esta afirmación se sustenta estadísticamente en el hecho de que, en cada fábrica, a menudo se encuentran baterías defectuosas con bajo voltaje poco después de cargarse, pero se producen pocas explosiones. Por lo tanto, la explosión causada por un cortocircuito interno se debe principalmente a la sobrecarga. Dado que, tras la sobrecarga, el electrodo se llena de cristales de litio metálico en forma de aguja, aparecen puntos de perforación por todas partes y se producen microcortocircuitos. Por lo tanto, la temperatura de la batería aumentará gradualmente y, finalmente, la alta temperatura gasificará el electrolito. En este caso, ya sea porque la temperatura es demasiado alta como para provocar la combustión y explosión del material, o porque la carcasa se rompe primero, permitiendo la entrada de aire y la oxidación violenta del litio metálico, la explosión terminará en una explosión.
Sin embargo, esta explosión causada por un cortocircuito interno por sobrecarga no ocurre necesariamente durante la carga. Es posible que la temperatura de la batería no sea lo suficientemente alta como para quemar el material y que el gas generado no sea suficiente para romper la carcasa de la batería, por lo que el usuario detiene la carga y saca el teléfono móvil. En ese momento, el calor generado por numerosos microcortocircuitos eleva lentamente la temperatura de la batería y, tras un tiempo, se produce la explosión. Los usuarios suelen describir que sus teléfonos se calientan mucho al cogerlos y explotan al tirarlos.
Con base en los tipos de explosiones mencionados, podemos centrarnos en tres aspectos de la prevención de explosiones: prevención de sobrecarga, prevención de cortocircuitos externos y mejora de la seguridad de las celdas de batería. Entre ellos, la prevención de sobrecarga y la prevención de cortocircuitos externos pertenecen a la protección electrónica, estrechamente relacionada con el diseño y el ensamblaje del sistema de batería. La clave para mejorar la seguridad de las celdas de batería es la protección química y mecánica, estrechamente relacionada con los fabricantes de celdas.
Dado que existen cientos de millones de teléfonos móviles en el mundo, para garantizar la seguridad, la tasa de fallos de los sistemas de protección debe ser inferior a uno entre cien millones. Dado que la tasa de fallos de las placas de circuito impreso suele ser mucho mayor, al diseñar un sistema de baterías se deben considerar más de dos líneas de defensa de seguridad. Un error de diseño común es usar un cargador (adaptador) para cargar directamente la batería. De esta forma, la protección contra sobrecargas recae completamente en la placa de protección de la batería. Aunque la tasa de fallos de la placa de protección no es alta, incluso si es de uno entre cien millones, existe la posibilidad de que se produzcan accidentes por explosión a diario en todo el mundo.
Si el sistema de baterías puede proporcionar dos protecciones de seguridad para sobrecarga, sobredescarga y sobrecorriente, respectivamente, si la tasa de fallo de cada protección es de uno en diez mil, las dos protecciones pueden reducir la tasa de fallo a uno en cien millones. El diagrama de bloques de un sistema común de carga de baterías es el siguiente, que consta de dos partes principales: el cargador y el paquete de baterías. El cargador también incluye dos partes: el adaptador y el controlador de carga. El adaptador convierte la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC), y el controlador de carga limita la corriente y el voltaje máximos de la CC. El paquete de baterías consta de dos partes: la placa de protección, la celda de la batería y un PTC para limitar la corriente máxima.
Tomando como ejemplo el sistema de batería de un teléfono móvil, el sistema de protección contra sobrecarga utiliza el voltaje de salida del cargador, establecido en aproximadamente 4,2 V, para alcanzar el primer nivel de protección. De esta manera, incluso si falla la placa de protección de la batería, esta no se sobrecargará ni resultará peligrosa. La segunda línea de protección es la función de protección contra sobrecarga de la placa, que generalmente se establece en 4,3 V. De esta manera, la placa no tiene que cortar la corriente de carga. Solo actúa cuando el voltaje del cargador es anormalmente alto. La protección contra sobrecorriente es responsabilidad de la placa y el limitador de corriente, que también son dos líneas de protección para prevenir sobrecorriente y cortocircuitos externos. Dado que la sobredescarga solo ocurre durante el uso de productos electrónicos, el diseño general es que la placa del producto electrónico proporciona la primera protección y la placa de la batería proporciona la segunda. Cuando el producto detecta que el voltaje de la fuente de alimentación es inferior a 3,0 V, se apaga automáticamente. Si esta función no está diseñada cuando se diseña el producto, la placa de protección cerrará el circuito de descarga cuando el voltaje sea tan bajo como 2,4 V.
En resumen, al diseñar un sistema de baterías, se deben incluir dos protecciones electrónicas: sobrecarga, sobredescarga y sobrecorriente. La placa de protección es la segunda protección. Si la batería explota al retirar la placa de protección, significa que el diseño es deficiente.
Aunque el método anterior ofrece dos protecciones, los consumidores suelen comprar cargadores no originales para cargar la batería tras una avería, y los fabricantes suelen retirar el controlador de carga para reducir costes. Como resultado, el dinero de mala calidad desplaza al dinero de buena calidad, y aparecen en el mercado muchos cargadores de baja calidad. Esto hace que la protección contra sobrecargas pierda su principal y más importante línea de defensa. La sobrecarga es el factor más importante que provoca explosiones de baterías, por lo que los cargadores de baja calidad pueden considerarse los culpables.
Por supuesto, no todos los sistemas de baterías utilizan la solución que se muestra en la figura anterior. En algunos casos, la batería también incluye un controlador de carga. Por ejemplo, muchas baterías externas para portátiles cuentan con un controlador de carga. Esto se debe a que las portátiles suelen tener el controlador de carga integrado y solo proporcionan a los consumidores un adaptador. Por lo tanto, la batería externa de una portátil debe contar con un controlador de carga para garantizar su seguridad al cargarla con un adaptador. Además, los productos que se cargan con el encendedor del coche a veces tienen el controlador de carga integrado.
Si fallan todas las medidas de protección electrónica, la celda de la batería proporcionará la última línea de defensa. El nivel de seguridad de la celda de la batería se puede dividir, a grandes rasgos, en niveles según su capacidad para resistir cortocircuitos externos y sobrecargas. Esto se debe a que, antes de que la batería explote, si se acumulan átomos de litio en la superficie del material interior, la explosión será más potente. Además, la protección contra sobrecargas a menudo se limita a una sola línea de defensa, ya que los consumidores utilizan cargadores de baja calidad. Por lo tanto, la capacidad de la celda de la batería para resistir la sobrecarga es más importante que su capacidad para resistir cortocircuitos externos.
Al comparar la seguridad de las baterías con carcasa de aluminio con las baterías con carcasa de acero, las carcasas de aluminio tienen una mayor ventaja de seguridad que las de acero.
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