Nota de aplicación: Seguridad de las baterías de ion de litio de UPS 5P de Eaton

En búsqueda de densidades energéticas más altas, el crecimiento de dendritas es un problema significativo, especialmente para las baterías de ion de litio de próxima generación que utilizan metal de litio para la construcción primaria de ambos electrodos (en lugar de un electrodo a base de carbono). En los UPS de ion de litio 5P de Eaton, las celdas de ion de litio utilizan un electrodo positivo de fosfato de hierro-litio (LiFePO₄ o LFP) y un electrodo negativo basado en grafito (carbono), en lugar de un electrodo negativo basado en metal de litio que es más susceptible al crecimiento dendrítico^1-6. Además, las celdas de LFP son una de las sustancias químicas de ion de litio más seguras disponibles en la actualidad, debido a la alta temperatura de embalamiento térmico y la tolerancia a la variación y el uso inadecuado del voltaje⁷.

En las celdas del 5P cargadas, los iones de litio intercalados fluyen desde el electrodo negativo a base de carbono (ánodo durante la descarga) hasta el electrodo LFP positivo (cátodo durante la descarga); la relación y la estructura de los átomos de carbono a los átomos de litio en el electrodo negativo en varios estados de capacidad de carga ayudan a evitar que dendritas de gran tamaño crezcan en la superficie de carbono cuando funcionan dentro de los rangos de voltaje diseñados^1,2,3, lo cual es controlado cuidadosamente por el BMS. Aunque las celdas utilizadas en los UPS de ion de litio 5P son relativamente costosas, están diseñadas para soportar las altas velocidades de descarga a las que pueden someterse en esta aplicación, a la vez que enfatizan la seguridad tanto en la construcción como en el material y la química.

Durante la carga en el UPS de ion de litio 5P, se utiliza una corriente de carga máxima relativamente baja de 0,25C (las celdas están clasificadas para una tasa de carga máxima de 1C nominal, 2C máx.), lo que ayuda a mitigar el crecimiento de dendritas tipo árbol en el electrodo LFP positivo cuando los iones de litio regresan al electrodo a base de carbono³. Incluso a esta tasa C baja para la carga, el UPS de ion de litio 5P generalmente requiere solo de seis a ocho horas para alcanzar la carga completa, en función de la tasa de descarga anterior mientras soporta la carga con la batería.

Las celdas LFP utilizadas en el UPS de ion de litio 5P son de alta calidad, con procesos de fabricación implementados para reducir las impurezas y la humedad, al mismo tiempo que se monitorea continuamente la calidad en la línea de producción. Cada celda incluye protección integrada contra sobrecarga, ventilación de presión, revestimiento cerámico antiperforación y una barrera en el electrodo LFP positivo para ayudar a mitigar los cortocircuitos por crecimiento dendrítico.

Las celdas de factor de forma 26650 en el UPS de ion de litio 5P 1U de Eaton utilizan un tipo de química de ion de litio conocido como fosfato de hierro-litio (LiFePO₄ o LFP) para el electrodo positivo. Dado que hay suficiente espacio físico disponible en esta aplicación de UPS de 1U para cumplir con los objetivos de tiempo de funcionamiento utilizando celdas con un electrodo a base de carbono (negativo), no se necesita una celda de densidad de energía extremadamente alta que utilice metal de litio para ambos electrodos^1-6.

Además, la química de ion de litio de LFP tolera mejor las variaciones de voltaje y tiene un punto de embalamiento térmico mucho más alto (~270 °C) que la química de óxido de cobalto de litio (LCO; 150 °C) que se utiliza comúnmente en los productos electrónicos de consumo como teléfonos celulares y computadoras portátiles⁷. Además, LFP ofrece beneficios similares a otras sustancias químicas populares de ion de litio, como el óxido de níquel-cobalto-aluminio (NCA; ~150 °C), el óxido de litio-manganeso (LMO; ~250 °C) o el óxido de litio-níquel-manganeso-cobalto (NMC; ~210 °C) que se encuentran en herramientas eléctricas, algunos UPS y muchos vehículos eléctricos existentes⁷. Las baterías de ion de litio que utilizan química LFP también tienen un fuerte enlace Fe-P-O que resiste las reacciones de redox mejor que las baterías de ion de litio a base de cobalto debido a condiciones externas como cortocircuito, sobrecalentamiento, etc.⁸

Nuestras celdas de ion de litio cumplen con IEC 62133, y el conjunto de paquete de baterías de ion de litio cumple con UL1642 y UL1973, así como con UN/DOT38.3 en el UPS de ion de litio 5P.

Entre UL1642 y UL1973, se realiza la siguiente lista de pruebas de seguridad en las celdas y/o el paquete de baterías de ion de litio:

Además, se realiza un subconjunto de las siguientes pruebas enumeradas a continuación en las celdas de ion de litio individuales en el caso de IEC 62133 o en el conjunto de paquete de baterías en el caso de DOT/UN38.3.

Como parte de las pruebas DOT/UN38.3, la temperatura de la carcasa de las celdas no puede superar los 170 °C; dado que las celdas LFP utilizadas en el UPS de ion de litio 5P 1U tienen un punto de embalamiento térmico mucho mayor que esta temperatura, el riesgo de embalamiento térmico cuando se exponen a situaciones como las condiciones de prueba se reduce aún más.

Por último, Eaton ha realizado rigurosas pruebas internas de ciclos y rendimiento del UPS de ion de litio 5P 1U para caracterizar la seguridad y el rendimiento durante un período de varios años antes del lanzamiento. Mientras soportaban la carga de salida completa a 40 °C (104 °F), que es la clasificación máxima de temperatura ambiente del UPS, las unidades de prueba se descargaron y cargaron continuamente (aproximadamente tres ciclos por día) hasta que todas las muestras alcanzaron nuestros objetivos de vida útil. En todos los casos que utilizaron los paquetes de baterías basados en 26650, todas las unidades probadas cumplieron con nuestros objetivos de vida útil con cero fallas o problemas en los paquetes. Dado que la calidad, la seguridad y la confiabilidad son de suma importancia, continuaremos probando y evaluando nuestros UPS de ion de litio en el futuro.

Obras citadas

^{1 Instituto Politécnico Rensselaer. “La temperatura cura las dendritas de litio”. TechXplore. 30/03/2018, https://techxplore.com/news/2018-03-temperature-lithium-dendrites.html. Consultado el 5 de junio de 2019.}

^{2 Clemens, Kevin. “Tres maneras en que crecen las dendritas de litio”. Design News. 05/11/2018, https://www.designnews.com/electronics-test/three-ways-lithium-dendrites-grow/78500767259733. Consultado el 22 de mayo de 2019.}

^{3 Clemens, Kevin. “El calentamiento cura las dendritas de litio”. Design News. 24/04/2018, https://www.designnews.com/electronics-test/heating-heals-lithium-dendrites/211268355358591. Consultado el 5/6/2019.}

^{4 Yarris, Lynn. “Raíces del problema de las baterías de litio: los investigadores del laboratorio de Berkeley encuentran que las dendritas comienzan debajo de la superficie”. Science Shorts. 17/12/2013, https://newscenter.lbl.gov/2013/12/17/roots-of-the-lithium-battery/. Consultado el 24 de mayo de 2019.}

^{5 Jefferson, Brandie. “Cristales, crecimiento en la superficie y dendritas en baterías de litio”. Universidad de Washington en St. Louis. Phys.org. 25/10/2018, https://phys.org/news/2018-10-whiskers-surface-growth-dendrites-lithium.html. Consultado el 24 de mayo de 2019.}

^{6 Wood, Kevin N. y otros. “Dendritas y pozos: Desenredar el comportamiento complejo de los ánodos metálicos de litio a través de la videomicroscopía de Operando”. ACS Cent. Sci. 2016, 2, 11, 790-801. Fecha de publicación: 14 de octubre de 2016, https://doi.org/10.1021/acscentsci.6b00260. Consultado el 24 de mayo de 2019.}

^{7 Battery University. “BU-205: tipos de ion de litio”. Battery University. Última actualización 24-04-2019, https://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion. Consultado el 24 de mayo de 2019.}

^{8 “Harding Energy | Baterías de ion de litio | Polímero de litio | Fosfato de hierro-litio”. Harding Energy. http://www.hardingenergy.com/lithium-2/#phosphate. Consultado el 6 de junio de 2019.}