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Pruebas destructivas de baterías en simulación medioambiental
Battery Abuse Testing
Desde altas temperaturas hasta la explosión
Baterías de iones de litio: los acumuladores de energía del futuro
Las baterías de iones de litio se han consolidado como una de las principales tecnologías de almacenamiento de energía y se utilizan de forma generalizada en diversas aplicaciones, como dispositivos electrónicos portátiles, vehículos eléctricos, almacenamiento estacionario de energía y sistemas de energías renovables. Un informe de MarketsandMarkets prevé que el mercado de las baterías de iones de litio alcance un valor de 94.400 millones de dólares en 2025, lo que equivale a un crecimiento anual de alrededor del 16,2 %. En general, las baterías de iones de litio ofrecen muchas ventajas como fuente de energía potente y eficiente. No obstante, es importante que saber que también existen peligros potenciales asociados a su uso y manipulación y que se tomen las precauciones apropiadas para minimizar estos riesgos.
La certificación de baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio son certificadas por organizaciones independientes que realizan ensayos para confirmar su conformidad con las normas y reglamentos pertinentes. Estos ensayos suelen incluir pruebas de estabilidad térmica, choque, vibración, sobrecarga, cortocircuito, ensayos mecánicos de penetración o integridad y otros riesgos. Los ensayos se realizan para garantizar que las baterías son seguras y no representan ningún peligro para los usuarios o el medio ambiente.
¿Qué son los «battery abuse tests»?
Para lanzar al mercado baterías y utilizarlas en aplicaciones de automoción es necesario realizar una serie de ensayos. Las condiciones de ensayo están definidas en las normas y estándares pertinentes (nacionales o internacionales). Los ensayos de baterías se realizan a nivel de célula, módulo, paquete o vehículo. En relación con los ensayos de baterías se puede distinguir básicamente básica entre ensayos de rendimiento y envejecimiento, ensayos de simulación ambiental y ensayos de seguridad.
En los ensayos de seguridad, también conocidos como ensayos de uso abusivo («abuse tests»), la batería se expone a condiciones fuera de la ventana real de funcionamiento. Los «battery abuse tests» son ensayos de seguridad destructivos en baterías. Un ejemplo de prueba de seguridad destructiva es el ensayo de sobrecarga, en el que la batería se carga con una tensión superior a la normalmente recomendada. Esto puede hacer que la batería se sobrecaliente y que potencialmente falle o explote. Un ejemplo más es lo que se conoce en inglés como «nailing», en el que se perfora la batería con un objeto puntiagudo para comprobar cómo reacciona ante posibles daños. Los ensayos conocidos como «battery abuse tests» suelen ir acompañados de un embalamiento térmico (en inglés «thermal runaway»), es decir, un incendio o una explosión. La batería se sobrecarga, sobrecalienta o daña intencionadamente para comprobar cómo reacciona a estas condiciones extremas. El objetivo de este tipo de ensayos es valorar el comportamiento de la batería bajo cargas extremas para garantizar que es segura y fiable y que no representa ningún peligro, sobre todo en aplicaciones donde pueden provocar situaciones potencialmente peligrosas, como en vehículos eléctricos o dispositivos electrónicos portátiles. Mediante los ensayos destructivos se puede minimizar el riesgo de accidentes e incendios, garantizando así una mayor seguridad y fiabilidad. Son además un requisito para la comercialización y el desarrollo de nuevas baterías.
Las normas medioambientales y la creciente concienciación sobre la seguridad laboral impiden realizar ensayos en entornos abiertos o en edificios antiguos y vacíos (búnkeres, hangares) sin un tratamiento posterior de los gases de escape. Por tanto, no pueden ser parte de un concepto de ensayo profesional con condiciones ambientales reproducibles.
Embalamiento térmico demasiado caliente para la célula de iones de litio.
En general, una batería de iones de litio puede funcionar con seguridad a temperaturas de hasta 100 °C sin efectos permanentes. Si el nivel de temperatura aumenta más allá de ese valor, comienzan a producirse reacciones de descomposición en el interior de la batería. A partir de una temperatura de aproximadamente 120 °C, la denominada interfase electrolítica sólida (SEI por sus siglas en inglés) se descompone inicialmente y poco después se produce una disolución gradual del material separador entre el ánodo y el cátodo. En función de la composición de la célula de una batería, surgen reacciones exotérmicas a partir de un rango de temperaturas de 160 °C...200 °C. A su vez, este nivel de temperatura es característico del inicio de un embalamiento térmico de la batería. Que se alcance este estado en las baterías de iones de litio depende principalmente del tipo de fallo de la célula (condición de uso abusivo) así como de la composición de la célula, ya que ello influye de manera determinante en la velocidad de incremento de la temperatura dentro de la célula de la batería.
Con un incremento de temperatura de 10 K/s, se presupone un embalamiento térmico. Si se ha alcanzado este estado, ya no es posible evitar una liberación de calor incontrolada, o lo que es lo mismo, el calor generado ya no puede disiparse en una medida suficiente. La energía térmica resultante hace que las reacciones exotérmicas se aceleren aún más. A causa del aumento de la temperatura en la batería, se acumula una alta presión, lo que provoca el estallido de la batería a un determinado nivel de presión. En este estado, el gas caliente («venting gas») fluye fuera de la batería y se inflama directamente por la alta temperatura de la celda o se vuelve a inflamar poco tiempo después cuando se da energía de inflamación mínima. Puesto que uno de los productos de las reacciones de descomposición es el oxígeno, el proceso de combustión se mantiene. Por lo tanto, solo se pueden contener los efectos del incendio. No es posible una extinción total del incendio.
Ensayos destructivos en la simulación ambiental
| 1. Ensayos mecánicos | |
| Durante los ensayos mecánicos, un objeto penetra o impacta en la batería (integridad mecánica). Se investiga, por ejemplo, en qué medida la penetración de clavos (cortocircuito interno) o el aplastamiento (choque) afectan a la funcionalidad y al comportamiento técnicamente seguro de la batería. | |
| 2. Ensayos térmicos | |
| En los ensayos térmicos, las baterías se exponen de temperaturas que van de muy bajas a excesivamente altas, y, en la mayoría de los casos, los ensayos de temperaturas excesivamente altas provocan, en particular, un embalamiento térmico. Eso hace que el aire ambiental se caliente hasta 200 °C o incluso más, lo que eleva la batería a un nivel de temperatura crítico al cabo de cierto tiempo por procesos de transferencia de calor. | |
| 3. Ensayos eléctricos | |
| En los ensayos eléctricos, se comprueban diversos escenarios críticos que pueden darse en conexión con la periferia eléctrica del entorno. Un ejemplo sería la generación de un cortocircuito (cortocircuito externo) o el sobrecalentamiento deliberado de la batería a un nivel de tensión más alto. La consecuencia es que la batería se calienta y pasa rápidamente también a un estado crítico. | |
Para determinar un sistema de ensayo adecuado es esencial establecer qué tipo de ensayos se van a realizar y qué efectos se esperan en la batería de prueba durante el ensayo. De ahí se deriva el potencial de peligro, que varía de «ningún peligro» a una explosión con gases nocivos.