Caracterización del proceso de fuga térmica inducido por punzonamiento en celdas de ion-litio

Abstract

[ES] Debido a la creciente demanda de vehículos eléctricos que sufre el mercado en estos días, las baterías se han convertido en una de las principales fuentes de almacenamiento de energía para éstos. A diferencia de las tecnologías relacionadas con los motores de combustión interna alternativos, éstas no se encuentran tan profundamente investigadas por lo que existen gran cantidad de campos para la investigación.

Uno de los problemas principales de las baterías son los diferentes tipos de abusos a las que pueden estar sometidas durante su uso, entre los que destacan los abusos mecánicos, eléctricos, y térmicos. Bajo cualquier tipo de abuso, la batería puede provocar una reacción altamente exotérmica que es conocida en como fuga térmica, o ¿Thermal Runaway¿, en la que la celda se oxida violentamente provocando muy elevadas temperaturas, y la liberación de materia y energía.

En cuanto al abuso mecánico, uno de los ensayos característicos es el de punzonamiento, o ¿nail penetration¿. Éste consiste en la penetración de la carcasa de la batería mediante una aguja a una velocidad y posición determinadas. Durante el punzonamiento, la aguja provoca el corto circuito interno de la celda, lo que provoca el proceso de fuga térmica.

Este trabajo propone la caracterización del proceso de fuga térmica inducido por punzonamiento en celdas de ion-litio. Para ello, se monitorearán las variables eléctricas de la celda y temperatura. Con ello, se podrá calcular la energía liberada durante el proceso de fuga térmica. Estos resultados, sentarán las bases para definir sistemas de prevención de fallos y propagación de la fuga térmica dentro del paquete de baterías, lo que permitirá mejorar la seguridad de los vehículos eléctricos.

[EN] Due to the increasing demand for electric vehicles in the automotive market, batteries have become one of their main energy storage sources. Unlike the technologies related to alternative internal combustion engines, these are not as deeply investigated, so there are a large number of fields for research.

One of the main problems with batteries is the different types of abuse to which they can be subjected during use, among which mechanical, electrical, and thermal abuse stand out. Under any type of abuse, the battery can cause a highly exothermic reaction that is known as thermal runaway, or "Thermal Runaway", in which the cell oxidizes violently causing very high temperatures, and the release of matter and energy.

Regarding mechanical abuse, one of the characteristic tests is punching, or "nail penetration". This consists of the penetration of the battery casing by means of a needle at a certain speed and position. During the punching, the needle causes the internal short circuit of the cell, which causes the process of thermal runaway.

This work proposes the characterization of the thermal runaway process induced by punching in lithium-ion cells. For this, the electrical variables of the cell and temperature will be monitored. With this, it will be possible to calculate the energy released during the thermal runaway process. These results will lay the foundations for defining failure prevention systems and thermal runaway propagation within the battery pack, which will improve the safety of electric vehicles.