¡Presentamos una publicación de blog de Matthew P. Barnson de www.barnson.org! Este es un gran artículo sobre la ciencia detrás de las baterías LiPo cuando llegan al final de su vida útil.
Advertencia: ¡Ciencia por delante! Cierra los ojos y aléjate, ¡has sido advertido!
Muchos entusiastas del control por radio se sienten decepcionados con el ciclo de vida de sus baterías de litio en aviones eléctricos. A menudo, esto se debe a que no están completamente seguros de lo que sucede dentro de la batería y eligen una capacidad o voltaje que no es apropiado para su aplicación. En última instancia, esto se manifiesta en la "hinchazón" o "hinchazón" de una batería de litio. Este editorial intenta explicar lo que realmente sucede cuando esto sucede.
Químicamente, puede haber tres causas para la inflamación de una batería LiPo y una condición exacerbante que la empeora en todos los ámbitos. Esto también ocurre en las baterías de iones de litio de carcasa dura, pero la carcasa dura puede soportar varias atmósferas de presión antes de expandirse.
Nota: Este es MI entendimiento de la química involucrada. Puede que esté fuera de lugar, después de todo, soy un desertor de la universidad. ¡Pero me encantaba la clase de química!
Causa #1: AGUA en la mezcla.
EDITAR: Los fabricantes de litio cuyos productos están implicados en esta afirmación (lea: Hextronik et al, alrededor de 2006-2007, Thunder Power alrededor de 2008) disputarán la afirmación de litio contaminado. El contaminante más común es el agua, pero hay muchos otros que provocarán la oxidación del litio en la celda. Básicamente, cualquier otra sustancia que contenga oxígeno que pueda liberarse mediante electrólisis o calor se convertirá en un contaminante, y cualquier sustancia que no sea el ánodo, el cátodo o el separador esperado es un contaminante que reducirá el rendimiento de la celda y causará la hinchazón en otras maneras. Los fabricantes tienen la responsabilidad fiduciaria de afirmar que no hubo ningún defecto en el producto; de lo contrario, son responsables de la retirada. Hablaré sobre la ciencia y dejaré que saques tus propias conclusiones.
Este fue el problema común con muchos LiPo chinos baratos de alrededor de 2005-2008. La mayoría están mejor ahora, pero es la causa número 1 de la falla prematura de LiPo: la contaminación del agua en la planta. Muchas de las fábricas de LiPo de China están en la costa, donde la altitud es muy baja y la humedad es alta. No puede hacer que la humedad sea demasiado baja en el piso de ensamblaje, porque está trabajando con productos químicos volátiles que podrían explotar en presencia de una chispa, y no puede hacer que la humedad sea demasiado alta porque terminará con un LiPo sin valor. que se hincha en el primer uso.
Aquí está la ciencia. Tienes tres ingredientes que son funcionales en una batería LiPo. El resto es envoltura y accesorios de cableado.
- Cátodo: LiCoO2 o LiMn2O4
- Separador: electrolito polimérico conductor
- Ánodo: Li o compuesto de intercalación carbono-Li
Voy a ser un poco vago en mi lenguaje aquí. Los productos químicos involucrados varían según los fabricantes, por lo que no quiero hacer suposiciones.
¿Recuerdas tu clase de química? Tenga en cuenta la falta absoluta de átomos de hidrógeno en la reacción . Ninguno, cero, zip, nada. Si tiene agua dentro de la batería , y prácticamente todas las baterías tienen un poco, tiene problemas. Cuando el enlace químico del H20 se rompe por la electrólisis y el calor, se obtiene oxígeno libre. También tiene hidrógeno en movimiento libre que generalmente termina unido a su ánodo o cátodo, cualquiera que sea el lado de la reacción en el que se encuentre y según el estado de carga de su batería.
Ahora, esta es una situación bastante inestable que se ve agravada por cualquier condición de sobrecarga o sobrecarga que crea litio metálico en su celda. El resultado final es hidróxido de litio: 1 átomo de litio, un átomo de hidrógeno y un átomo de oxígeno.
Pero todavía tiene un átomo de oxígeno libre flotando dentro de la carcasa de la batería, que generalmente se combina con otro átomo de oxígeno, O2, o lo que a veces pensamos como "aire", u otros dos átomos de oxígeno, para formar un ácido característico. , sustancia de olor metálico llamada "ozono", u O3. Los gases se expanden con el calor y se contraen con el frío. Mete una batería hinchada en el congelador y podría volver a salir dura como una roca... hasta que se caliente. No está congelado, simplemente se enfrió lo suficiente como para que los gases del interior no ocuparan mucho espacio.
Y ese O2 u ozono libre está a la espera de abalanzarse y oxidar algo de litio ante el más mínimo error de cálculo de su parte. La modesta sobredescarga durante un punch-out, o hacer funcionar la batería un poco demasiado baja o dejar que se caliente demasiado, o hacer funcionar el voltaje hasta 4.235v/celda en un día frío cuando el límite de voltaje real por celda es más como 4.1v. Todo esto crea la tormenta perfecta para que una batería hinchada se convierta rápidamente en una batería arruinada o en un incendio en vuelo.
Comprender el papel del oxígeno libre en su batería, a partir del agua y otras causas, es CRUCIAL para comprender por qué fallan las baterías y por qué a veces puede arreglárselas con una batería hinchada y otras veces no.
Causa n.º 2: Degradación de la fórmula por sobrecarga/sobredescarga
Si una batería de litio se sobrecarga o carga demasiado rápido, termina con MUCHO exceso de litio libre en el ánodo (recubrimiento de litio metálico) y oxígeno libre en el cátodo. Un átomo de oxígeno libre es lo suficientemente pequeño para atravesar libremente el separador sin llevar una carga eléctrica, lo que genera ÓXIDO de litio en el ánodo. Litio "óxido", en realidad. Inútil para nosotros en este punto, solo peso muerto dentro del envoltorio de la batería.
Pero el óxido de litio usa menos átomos de oxígeno que los que existían en el estado ionizado, por lo que terminas, nuevamente, con OXÍGENO LIBRE. Y la gente se pregunta por qué si sobrecargas un LiPo bajo el agua, todavía se enciende a pesar de la falta de aire libre...
Si se descarga en exceso o demasiado rápido, ocurre lo contrario, pero termina con óxido de litio en el cátodo, pero a un ritmo más bajo porque simplemente hay menos allí. Básicamente, una batería maltratada desarrolla rápidamente corrosión en ambos polos de la batería dentro de la envoltura. Y cuanto más se abusa de él, peor se pone a medida que aumenta la resistencia y sigue siendo impulsado con fuerza.
Esta, por cierto, es la causa más común de hinchazón de nuestro avión hoy en día cuando se vuela con un paquete de alta calidad (no los restos de eBay de los costosos errores chinos de 2004-2009). La realidad es que este tipo de celdas, independientemente de su calificación 'C', están diseñadas para usarse donde duran varias horas... no varios minutos. Si bien la química, si se usa como se diseñó, es buena para miles de ciclos, los estamos alejando tanto de las especificaciones que tenemos suerte de obtener cientos de ciclos de ellos.
En la mayoría de los casos, nuestras baterías también tienen especificaciones insuficientes. Si se cargan y descargan lentamente, muchos de estos paquetes a menudo contendrían considerablemente más mAh de lo que creemos que tienen. Esa es una de las razones por las que obtenemos el rendimiento que hacemos de ellos. Los paquetes con clasificación C más alta también suelen introducir electrolito gelificado en el separador y nanoestructuras de carbono o fósforo en las mezclas de ánodo y cátodo en lugar del enfoque de "golpearlo y esperar que se mezcle correctamente" que se usa con láminas de ánodos y cátodos. hoy.
Causa #3: mala construcción del separador
Varios LiPo baratos también usan una mala formulación de separador. En última instancia, a menudo se reduce al uso de un separador seco con una resistencia interna demasiado alta para cumplir con las afirmaciones de calificación "C" del fabricante. La resistencia interna crece con el tiempo porque un porcentaje cada vez mayor de LiPo es óxido de litio simple, y el globo crece a medida que se liberan más átomos de oxígeno.
También incluiría "mala química de ánodo o cátodo" en esta categoría. ¿Alguna vez has sacado una batería mala de un lote de buenas? A menudo se debe a que la mezcla de productos químicos era inconsistente y terminas con demasiado o muy poco litio en un lado de la batería (bueno, en ciertas placas, me entiendes).
Factor exacerbante: CALOR.
Un poco de calor hace que todo funcione mejor para una Lipo. Si pudiera volar su batería a 140 Fahrenheit todo el tiempo, tendría una potencia fantástica y estaría funcionando en su zona feliz. Pero genera calor al cargar y al descargar. Llegar a 150 da como resultado una generación significativa de litio metálico, que, como podemos ver desde arriba, es una de las principales causas de la inflamación y la destrucción celular.
Del mismo modo, el límite máximo de 4.235v/celda está solo en esos míticos 140F. A partir de ahí, desciende constantemente, hasta alrededor de 4,2 V/celda a temperatura ambiente, y alrededor de 4,0 V/celda por debajo de los 50 °F, más allá de lo cual la sobreabundancia de electrones romperá nuevamente los enlaces químicos y liberará el litio para unirse con el oxígeno y crear óxido de litio. ... que es solo un desastre esperando unirse con la humedad en el aire si se rompe el LiPo, para crear hidróxido de litio.
Conclusión
Químicamente, no hay LiPos que no se hinchen bajo ciertas circunstancias. Pero la humedad estrictamente controlada, un excelente separador de gel, un ánodo y un cátodo nanoestructurados y una carga y descarga cuidadosa dentro de los límites del fabricante también deberían evitar la inflamación. De manera similar, poner un paquete que ha sido abusado en un avión de baja descarga, incluso cuando está inflado, a menudo tiene el propósito de detener el inflado porque no se crea más litio metálico en la celda por el abuso.
Y ahora ya sabes la respuesta al tema geek de hoy. ¿Por qué las baterías de polímero de litio a menudo se hinchan?