Evaluación de la seguridad y la estabilidad térmica de las baterías de celda de botón con nueva tecnología

Las baterías pueden degradarse debido a cambios de temperatura o sobrecarga/sobredescarga, por lo que el DSC para celdas de botón está diseñado para capturar los desencadenantes de la reacción y los eventos térmicos resultantes. Su cápsula de celdas de botón apta para uso captura la señal de flujo de calor completa en todo el rango de temperatura, revelando cómo los cambios de temperatura pueden provocar reacciones dentro de la batería. Una conexión de cable integrada proporciona monitoreo de voltaje durante la falla térmica de la celda, lo que le permite correlacionar los procesos térmicos con los datos electroquímicos.

Los siguientes experimentos muestran las mediciones clave de seguridad de la batería obtenidas del DSC para celdas de botón.

El descontrol térmico ocurre cuando una temperatura crítica alta desencadena reacciones exotérmicas que provocan aumentos adicionales de temperatura. Identificar la temperatura de inicio y las reacciones resultantes es fundamental para predecir fallas y diseñar baterías más seguras.

En el siguiente ejemplo, una batería de celdas de botón NMC se elevó a 600 °C, revelando cuatro pasos de la reacción:

1. Temperatura de inicio de la descomposición irreversible de la celda
2. Fundición de separadores y fundición de juntas de celdas de botón que permiten la ventilación de gases para el análisis de gases desprendidos
3. Descomposición térmica y reacción cruzada del electrolito y los materiales activos
4. Degradación térmica de la junta y reacción a alta temperatura con los materiales activos

Esta rampa de temperatura de una batería de celdas de monedas completa fue facilitada por el sensor altamente sensible del DSC para celdas de botón. Esta tecnología ofrece un análisis de temperatura de inicio más preciso y admite la caracterización de mecanismos de reacción complejos.

Determinar con exactitud cuándo se produce un cortocircuito en la batería y esta deja de funcionar es fundamental para la ingeniería y el diseño. El monitoreo de voltaje mide el estado de carga de la batería y detecta señales electroquímicas cuando se produce un cortocircuito interno o una caída de voltaje, correlacionando las reacciones que conducen a los cambios.

La siguiente figura muestra cuándo comienza a ocurrir un cortocircuito. Esta caída brusca de voltaje indica un cortocircuito, seguido de una falla completa de la celda y una caída de voltaje a 0 V. La identificación de un cortocircuito de batería ayuda a los desarrolladores de baterías a determinar si su diseño es seguro para las condiciones de uso típicas o necesita ser rediseñado para soportar temperaturas más altas. El gráfico insertado mostró el inicio del flujo de calor de reacción alrededor de los 119 °C, lo que provocó una disminución del voltaje a los 130 °C, revelando los primeros signos de degradación.

Además de identificar cortocircuitos y temperaturas de inicio de descontrol térmico como se muestra anteriormente, los desarrolladores de baterías también necesitan comprender las reacciones y la composición del gas residual si una batería excede los umbrales de seguridad. El análisis de gases de escape revela los gases liberados durante una reacción, como dióxido de carbono, oxígeno, hidrocarburos y otros productos de descomposición. La identificación de estos gases es esencial para determinar si una batería presenta mayores riesgos de seguridad e incendio cuando falla.

Y finalmente, todos estos datos son tan poderosos como su capacidad para analizarlos. El software TRIOS del DSC para celdas de botón ofrece una experiencia de usuario excepcional en el control de instrumentos, análisis de datos y generación de informes. Las plantillas incorporadas facilitan los métodos comunes de prueba de seguridad de las celdas de botón. TRIOS también combina eficientemente datos de diferentes modos de prueba, incluyendo monitoreo de voltaje, análisis de gases de escape y mediciones de flujo de calor.

Obtenga más información sobre el DSC para celdas de botón y póngase en contacto con los expertos en baterías de Waters Materials Sciences para obtener más información.