En las baterías de fosfato de hierro y litio (LFP), los iones de litio se mueven entre el ánodo y el cátodo durante su funcionamiento.

Durante la carga, los iones salen del ánodo (compuesto de fosfato de hierro y litio) y viajan a través del electrolito hacia el cátodo (grafito), integrándose en su estructura en capas.

Durante la descarga, ocurre el proceso inverso, permitiendo el almacenamiento y la liberación de energía a través del movimiento de electrones en el circuito externo.

Prácticas comunes que conducen a sobrecarga y sobretensión

La sobrecarga puede ocurrir debido a:

  • Configurar el voltaje/corriente de carga por encima de los niveles recomendados.
  • Cargar a altas corrientes (>0.5C) en condiciones de frío (<0°C).

Los peligros de la sobrecarga

Cuando las baterías LFP se sobrecargan y experimentan sobretensión frecuente, pueden ocurrir varias reacciones adversas.

La más crítica es la deposición de litio, una forma de degradación donde el litio se deposita en la superficie del ánodo de grafito como litio metálico (ver Figura 1). Esto puede causar hinchazón de la batería y una pérdida rápida de capacidad, y en casos graves, cortocircuitos internos y fuga térmica.

Figura 1

¿Cómo causa la sobretensión la deposición de litio?

Normalmente, durante la carga, los iones de litio se integran en la estructura en capas del grafito. El potencial del cátodo disminuye gradualmente de 200 mV (frente a Li+/Li) a aproximadamente 65 mV (frente a Li+/Li). Si la carga continúa más allá de este punto, el potencial puede caer por debajo de 0 V (frente a Li+/Li), lo que provoca la deposición de litio en la superficie del grafito, como se muestra en la Figura 1.

Mecanismo detrás de la hinchazón de las baterías

El litio metálico es altamente reactivo. Reacciona con el electrolito para formar una interfaz de electrolito sólido (SEI), que envuelve la superficie del litio (ver Figura 2a). Este proceso libera gases inflamables como CO, CH4 y C2H6, razón por la cual no se recomienda perforar una batería hinchada. Durante descargas subsecuentes, el litio se separa del cátodo, dejando restos de SEI. En cada ciclo de sobrecarga, se forma un nuevo SEI, generando gas y, con el tiempo, causando hinchazón significativa debido a la acumulación de presión interna.

Figura 2

En resumen, la sobrecarga frecuente conduce a una cascada de reacciones: deposición de litio, formación de SEI y generación de gas, que generan presión dentro de la batería, provocando hinchazón y riesgos de seguridad. Establecer el voltaje de carga correcto es crucial para prevenir estos problemas y garantizar la seguridad y el rendimiento de la batería.

Referencias

  1. Uhlmann C, Illig J, Ender M, et al. «In situ detection of lithium metal plating on graphite in experimental cells.» Journal of Power Sources, 2015.
  2. Lin X, Khosravinia K, Hu X, et al. «Lithium plating mechanism, detection, and mitigation in lithium-ion batteries.» Progress in Energy and Combustion Science, 2021.
  3. Liu J, Bao Z, Cui Y, et al. «Pathways for practical high-energy long-cycling lithium metal batteries.» Nature Energy, 2019.

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