¿Por qué las baterías de iones de litio se autodescargan? Causas y cómo mitigarlo

La descarga automática de las baterías de iones de litio se refiere a la caída natural de carga/voltaje cuando la batería no está conectada a un circuito externo (es decir, en estado de circuito abierto) . Esta es una característica inherente a todas las baterías, aunque en distintos grados. Aunque la tasa de descarga automática de las baterías de iones de litio es relativamente baja, aún así ocurre. Las principales causas pueden clasificarse como sigue:

1. Reacciones químicas secundarias inevitables (descarga automática normal):

(1) Crecimiento y disolución de la película SEI:

La superficie del ánodo (generalmente grafito) contiene una película de interfaz sólida de electrolito (SEI). Esta película se forma durante la carga y descarga iniciales y es crucial para el correcto funcionamiento de la batería. Sin embargo, la película SEI no es completamente estable. Durante el almacenamiento, especialmente a temperaturas elevadas, la película SEI se disuelve y vuelve a formarse lentamente. Esta reconfiguración consume iones de litio y electrolito, lo que provoca pérdida de capacidad y caída de voltaje. Esta es una de las causas principales de la autodescarga en baterías de iones de litio.

(2) Oxidación/reducción del electrolito:

Los materiales catódicos (como el óxido de litio y cobalto (LiCoO₂), el óxido de litio, níquel, cobalto y manganeso (NCM) y el fosfato de litio y hierro (LiFePO₄)) presentan una alta actividad oxidativa en estado cargado. Los disolventes (como el carbonato de etileno (EC) y el carbonato de dimetilo (DMC)) y los aditivos del electrolito sufren lentas reacciones de descomposición oxidativa cuando están expuestos durante largos períodos al alto potencial del cátodo. De manera similar, en el lado del ánodo, a pesar de la protección proporcionada por la capa SEI, pueden ocurrir pequeñas cantidades de descomposición reductiva del electrolito. Estas reacciones parásitas de tipo redox consumen iones de litio activos, lo que provoca una pérdida de capacidad.

(3) Reacciones de impurezas en materiales activos : Impurezas traza (como iones metálicos Fe, Cu, Zn, etc.) presentes en los materiales activos de los electrodos o en los colectores de corriente pueden formar pequeños cortocircuitos locales entre electrodos o participar en reacciones parásitas, consumiendo carga.

2. Microcortocircuito interno (causado por defectos de fabricación o envejecimiento):

(1) Defectos en el diafragma: Pequeños poros, impurezas o puntos débiles en el diafragma pueden provocar una pequeña conducción de electrones (microcortocircuito) entre los electrodos positivo y negativo tras ciclos de carga y descarga o almacenamiento prolongado, causando directamente fuga de carga. Esta es la causa principal de una autodescarga anormalmente alta. Además, aunque el diafragma evita la conducción de electrones a nivel macroscópico y solo permite el paso de iones, a nivel microscópico, el propio material del electrodo o la red del agente conductor podrían formar un camino extremadamente débil de fuga de electrones a través del electrolito.

(2) Penetración por dendritas: En baterías que se sobrecargan, se cargan a bajas temperaturas o están severamente envejecidas, el litio metálico puede depositarse de forma irregular sobre la superficie del electrodo negativo, formando dendritas. Dendritas afiladas pueden penetrar el separador, conectando los electrodos positivo y negativo, y provocando un cortocircuito interno.

(3) Polvo metálico durante el proceso de fabricación: Si durante el proceso de producción queda polvo metálico entre los electrodos o el diafragma (como el generado al cortar electrodos), también podría causar microcircuitos cortos. Es imposible lograr una producción completamente libre de polvo. Cuando la cantidad de polvo no es suficiente para perforar el diafragma y provocar un cortocircuito entre los electrodos positivo y negativo, su impacto en la batería no es significativo; sin embargo, cuando el polvo es lo suficientemente abundante como para perforar el diafragma, el impacto en la batería será muy considerable.

3. Efecto de la temperatura:

La temperatura es uno de los factores más críticos factores. Temperaturas más altas aceleran significativamente las tasas de todas las reacciones químicas que conducen a la autodescarga (evolución de la película SEI, descomposición del electrolito, reacciones con impurezas, etc.), lo que provoca un aumento brusco de la tasa de autodescarga. Por lo tanto, el almacenamiento prolongado de baterías debe realizarse a bajas temperaturas (pero evitando la congelación).

4. Impacto de la autodescarga:

Pérdida de capacidad: El impacto más directo es la reducción de la capacidad disponible de la batería.

Caída de tensión: El voltaje en circuito abierto disminuye con el tiempo de almacenamiento.

Envejecimiento acelerado: Las reacciones secundarias durante la autodescarga (como el crecimiento continuo del SEI) consumen litio activo y electrolito, lo cual constituye en sí mismo un mecanismo de envejecimiento.

Dificultad para estimar el estado de carga: La autodescarga dificulta determinar con precisión la carga restante basándose únicamente en el voltaje.

Riesgos de seguridad (casos extremos): Una autodescarga anormalmente alta (como un severo cortocircuito interno microscópico) puede provocar un aumento de la temperatura de la batería e incluso desencadenar una fuga térmica.

Las principales contramedidas contra la autodescarga de la batería son las siguientes:

(1) Optimizar el diseño y los materiales de la batería: mejorar la estabilidad de la membrana SEI, desarrollar electrolitos con mayor resistencia a la oxidación y materiales de alta pureza, y mejorar la calidad del diafragma.

(2) Controlar las condiciones de almacenamiento:

Temperatura: ¡Lo más importante! Intente almacenar la batería a bajas Temperaturas (por ejemplo, 10°C-25°C, evite temperaturas por debajo de 0°C).

Estado de carga: Al almacenar la batería durante un período prolongado, cárguela hasta un estado de carga moderado (por ejemplo, 40%-60%). Un estado completamente cargado acelerará la oxidación del electrolito por el electrodo positivo, mientras que un estado completamente agotado podría causar daños por sobredescarga en el electrodo negativo.

(3) Recarga periódica: Para baterías que han estado inactivas durante mucho tiempo, se debe verificar regularmente el voltaje/estado de carga (SOC), y realizar una carga adecuada (por ejemplo, cargar hasta el 50%) cuando el nivel de energía sea demasiado bajo, para evitar descargas profundas y daños en la batería.

(4) Control estricto del proceso de fabricación: reducir las impurezas y el polvo metálico para garantizar la calidad del diafragma.

Batería de iones de litio la autodescarga se debe principalmente a reacciones químicas secundarias inherentes, tales como la inestabilidad de la película SEI del electrodo negativo y la lenta descomposición por oxidación/reducción del electrolito en la superficie del electrodo (especialmente en el electrodo positivo). Los microcortocircuitos internos causados por defectos de fabricación (como defectos en el separador e impurezas) pueden provocar tasas de autodescarga anormalmente altas . La temperatura es el factor externo más importante que afecta las tasas de autodescarga . Comprender las causas de la autodescarga puede ayudar a optimizar las estrategias de uso y almacenamiento de las baterías, extendiendo así su vida útil.