Embalamiento térmico en baterías

24-01-2024 | Publicado por Joaquín Martí

El término «embalamiento térmico» (thermal runaway) en baterías se refiere a un aumento autónomo e incontrolado de la temperatura que puede ocurrir cuando una batería experimenta un fallo en cascada, liberando cantidades significativas de calor y gases, y que potencialmente puede dar lugar a un incendio o explosión. El fenómeno constituye un reto importante para los múltiples dispositivos alimentados por baterías y los vehículos eléctricos.

El embalamiento térmico suele asociarse a las baterías de iones de litio, que son muy utilizadas por su alta densidad de energía y su peso comparativamente bajo. Pero estas baterías también son más susceptibles al embalamiento térmico que otros tipos de baterías.

Hay diversos factores, internos y externos, capaces de desencadenar el embalamiento térmico, tales como:

1. Sobrecarga: Continuar la carga más allá de la capacidad de la batería puede llevar a la formación de litio metálico, provocando cortocircuitos internos e iniciando el embalamiento térmico.
2. Fuentes de calor externas: La exposición a altas temperaturas ambientales, como dejar una batería en un coche caliente o expuesta a la radiación solar directa, puede facilitar el inicio del embalamiento térmico.
3. Daño físico: Los daños mecánicos e impactos en la batería pueden afectar a sus componentes internos, dando lugar a cortocircuitos y desencadenando el embalamiento térmico.
4. Defectos de fabricación: La estabilidad de la batería se ve debilitada por procesos de fabricación defectuosos y por impurezas en sus materiales constituyentes, lo que puede hacerla más propensa al embalamiento térmico.
5. Diferencias entre las celdas: Las diferencias de fabricación entre las celdas individuales de un paquete de batería pueden dar lugar a desequilibrios en la carga y descarga, con capacidad para provocar el embalamiento térmico.

Una vez que el embalamiento térmico comienza en una celda de la batería es capaz de propagarse con rapidez a las vecinas a través de una reacción en cadena y provocar un fallo catastrófico en todo el paquete de batería. En este proceso, la temperatura aumenta significativamente, lo que lleva a la liberación de electrolitos inflamables, gases tóxicos y riesgo de incendio o explosión.

Para mitigar el riesgo de embalamiento térmico, los fabricantes de baterías y los diseñadores de dispositivos introducen medidas de seguridad como:

1. Sistemas de gestión térmica: Instalación de mecanismos de enfriamiento o materiales de disipación de calor para regular la temperatura de la batería en operación.
2. Sistema de Gestión de Batería (BMS, por sus siglas en inglés): Uso de sistemas avanzados de control para monitorizar y equilibrar las tensiones, temperaturas y niveles de carga de las celdas y evitar desequilibrios.
3. Protecciones mecánicas: Incorporación de protecciones físicas para reducir el riesgo de daño físico a las celdas de la batería.
4. Mejoras de materiales: Desarrollo de nuevos procesos químicos de batería y de materiales más estables y menos propensos al embalamiento térmico.
5. Normativa y reglamentación de seguridad: Aplicación de pruebas y certificaciones de seguridad para garantizar que las baterías cumplen con requisitos específicos de seguridad.

El embalamiento térmico continúa siendo un reto a pesar de los avances en tecnología de baterías, con los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía a gran escala cada vez más presentes. Por ello hay en marcha múltiples esfuerzos de investigación y desarrollo centrados en mejorar la seguridad de las baterías y mitigar el riesgo de incidentes de embalamiento térmico.

En este contexto, Principia no ha sido simplemente un espectador. Hemos llevado a cabo análisis térmicos, de fluidos y mecánicos en apoyo de varios fabricantes que tratan de desarrollar mejores diseños de baterías, e incluso hemos contribuido al proyecto de una instalación para ensayar baterías en situaciones extremas, incluyendo embalamientos térmicos, incendios y explosiones.