Las baterías son sistemas sencillos en cuanto a su construcción. Se componen de un electrodo positivo (cátodo), un electrodo negativo (ánodo), un separador que evita que se toquen y un electrolito por el que se mueven los iones para viajar de un electrodo a otro. Sin embargo, son mucho más complejas en cuanto a su funcionamiento, ya que dependen de reacciones químicas que están sujetas a diferentes circunstancias.
Las reacciones que se producen en su interior son exotérmicas, es decir, generan calor lo que provoca un aumento de la temperatura. En condiciones normales, los sistemas de control de temperatura de las celdas son capaces de disipar este calor generado por el movimiento de electrones y los iones para producir electricidad. En caso de no hacerlo, puede producirse lo que se conoce como una fuga térmica que es una reacción en cadena incontrolable en una celda que se transmite a las que se encuentran a su lado, lo que incrementa el riesgo de incendio.
En caso de fuga térmica, las celdas de la batería se vuelven inestables y las temperaturas aumentan a un ritmo muy rápido, alcanzando valores extremadamente altos que pueden llegar hasta los 400 ºC. A estas temperaturas, los materiales que se encuentran dentro de la celda comiencen a descomponerse. El resultado puede ser un incendio, la liberación de gases tóxicos e inflamables y posibles explosiones.
Etapas de la fuga térmica
El proceso de fuga térmica consta de tres etapas:
- Etapa 1. Comienza con la aparición del sobrecalentamiento del sistema de baterías y el consiguiente aumento de la temperatura interna. Se produce cuando cambia de un estado normal a uno anormal debido a un factor interno o externo.
- Etapa 2. Durante esta etapa, el separador, una membrana que se encuentra entre los dos electrodos, se derrite, la interfase de electrolito sólido (SEI) se descompone y el ánodo queda expuesto. La temperatura interna aumenta rápidamente y la batería sufre reacciones químicas exotérmicas que producen calor y que se acumula en su interior. El litio metálico o el litio intercalado en el ánodo reaccionan con los solventes orgánicos disueltos en el electrolito liberando gases de hidrocarburos inflamables como etano, metano y otros. Durante esta etapa, según va aumentando la temperatura, el oxígeno comienza a acumularse dentro de las baterías.
- Etapa 3. El oxígeno y el calor liberados en la etapa 2 proporcionan las condiciones necesarias para la combustión de los electrolitos orgánicos inflamables, lo que provoca incendios e incluso explosiones.
Buenas prácticas para evitar la fuga térmica
El motivo por el que se precipita la fuga térmica de la batería puede ser causado por factores externos y por fallos internos. En muchas ocasiones, unas buenas prácticas por parte de los usuarios puede ser suficientes para prevenirlos. Estas son algunas de ellas: .
- Sobrecarga de la batería: si una batería se carga por encima de su voltaje máximo seguro puede dañar su estructura interna.
- La temperatura de almacenamiento ideal para la mayoría de las baterías, incluidas las de iones de litio, se sitúa entre los 4 y los 21 ºC, dependiendo del fabricante. Exponerlas a altas temperaturas puede degradar el rendimiento de la batería y desencadenar una fuga térmica.
- Cortocircuitos internos. Una celda de iones de litio contiene un cátodo y un ánodo que están físicamente aislados por el separador. En celdas de mala calidad, los defectos de fabricación pueden afectar la integridad del separador y causar un cortocircuito interno que puede ser el detonante de una fuga térmica.
- Daño físico, como por ejemplo un pinchazo, que puede provocar un cortocircuito provocado por la unión del ánodo y el cátodo, lo que provoca un pico de corriente en ese punto de la celda.
- Tasa de descarga excesivamente alta. Descargar la batería por debajo del umbral de voltaje más bajo recomendado por el fabricante varias veces y, posteriormente, cargar la celda puede provocar una fuga térmica.
- Cargas rápidas que provoquen un paso excesivo de corriente eléctrica en la batería.
Prevención del riesgo de fuga térmica
La prevención de fugas térmicas requiere algo más que almacenar las baterías a temperaturas seguras y evitar sobrecargarlas. La investigación de nuevos materiales para ánodos y cátodos y los nuevos diseños, que están en constante evolución, tratan de evitar este efecto. Estas son algunas de las tecnologías y técnicas que están evolucionando y que actualmente ayudan a prevenir la fuga térmica.
- Sistemas de administración de baterías (BMS). Se trata de un sistema electrónico que puede administrar, monitorizar y controlar cada una de las celdas que forman un paquete de batería. Hay muchos diseños y tipos, dependiendo de la aplicación, entre los que se encuentran algunos inalámbricos que reducen la cantidad de elementos necesarios en el interior de la batería y que son susceptibles de incendiarse.
- Evitar la propagación de celda a celda. La prevención de la propagación se logra dejando suficiente espacio entre las celdas de un paquete. Además, mediante la interposición de los disipadores de calor correctos o las características de ventilación adecuadas también se logra prevenir el efecto.
- Apagado del separador. Se trata de un separador fabricado a partir de materiales especiales. Pueden mejorar potencialmente la seguridad de la batería, al tener una temperatura de apagado y una temperatura de ruptura lo más alejadas posible evitando o retrasar el proceso de fuga térmica.
En resumen, aumentar el rendimiento y la seguridad de las baterías es una preocupación común para todos los actores involucrados en su fabricación y montaje, especialmente en el mercado de los vehículos eléctricos. La seguridad es el criterio más importante que se baraja a la hora de diseñarlas y de realizar las pruebas de funcionamiento necesarias antes de que comience su comercialización. Investigadores y científicos trabajan día tras día en mejorar la seguridad de las baterías buscando nuevos materiales y nuevas arquitecturas que eliminen por completo la probabilidad de que se produzca una fuga térmica.
