A medida que la tecnología literalmente se incorpora en los centros deportivos y en los mismos atletas, son comunes las preocupaciones acerca de la seguridad y la protección de las baterías de iones de litio. Las estructuras de las baterías pueden estar compuestas por fuerzas físicas, que exponen a los usuarios a graves lesiones si las celdas de iones de litio fallan catastróficamente, produciendo calor, incendios e incluso explosiones. Para mitigar estos efectos, los fabricantes de baterías continúan creando una amplia variedad de mecanismos de protección en estos dispositivos.
Gracias a su bajo peso y a la alta capacidad energética, las baterías de iones de litio han ganado un rol central en aplicaciones que varían entre vehículos eléctricos y rastreadores de actividad física y deportes. De hecho, las celdas de iones de litio pueden diseñarse para suministrar energía y potencia altas específicas que superan el rendimiento de las tecnologías de baterías tradicionales.
Las preocupaciones acerca de la seguridad de las tecnologías de iones de litio se han resaltado en las fallas de las baterías de iones de litio de alto perfil en los vehículos eléctricos Tesla y en el último avión de línea insignia de Boeing, el 787 Dreamliner. Los incendios de la batería durante las operaciones de vuelo del Dreamliner hicieron que todos los aviones Dreamliner del mundo debieran permanecer en tierra. Para Boeing, el evento implicó el inicio de un examen detallado del diseño de la batería del 787. Para el público en general, generó preguntas más amplias acerca de la seguridad de las baterías de iones de litio en cualquier aplicación de consumo. De hecho, las baterías de iones de litio se encuentran presentes en casi todos los dispositivos de consumo y funcionan de manera segura y confiable cuando se utilizan dentro de los márgenes recomendados. Para Boeing, el rediseño del sistema de baterías de iones de litio permitió que el 787 volviera a volar: baterías de iones de litio contenidas en un gabinete hermético de acero inoxidable ventiladas a través de una válvula de alivio de presión hacia un tubo que atraviesa el fuselaje presurizado del avión en sí.
Las baterías para los deportes y la actividad física no requieren que se tomen las medidas heroicas del robusto diseño del sistema de baterías del 787 y, por supuesto, tampoco es posible. Sin embargo, gracias a una combinación de mecanismos de protección interna y métodos de empaquetado, estos componentes pueden servir de manera confiable a los dispositivos de potencia incluso para las actividades físicas y los deportes más activos.
Estructura de la celda de iones de litio
Una celda de iones de litio es una estructura simple en la que los iones de litio se mueven a través de un electrolito no acuoso desde los electrodos negativos y positivos durante la descarga y en la dirección opuesta durante la carga. Una batería 18650 típica, por ejemplo, está fabricada como una estructura de tres capas compuesta por la placa positiva, una capa de separador y la placa del electrodo negativo. Esta estructura se enrolla para formar el conocido “arrollado” de batería.
Figura 2: Una batería cilíndrica 18650 típica está compuesta por una estructura de celda de iones de litio de tres capas enrollada en el característico “arrollado” y empaquetada en una caja de protección.
(Fuente: Panasonic)
Las celdas de iones de litio funcionan dentro de un rango estrecho de temperaturas (Figura 3), tanto si se utilizan como dispositivos de una sola celda como si se combinan en paquetes de baterías de múltiples celdas. Durante la operación normal, incluso una batería en contacto cercano con el cuerpo humano continúa dentro de este rango de funcionamiento seguro y, por lo tanto, no presenta peligros inherentes para el usuario. Elevadas unos pocos grados por encima de su rango óptimo de temperatura, las celdas de iones de litio continúan siendo seguras, pero comienzan a experimentar un envejecimiento acelerado y exhiben una pérdida asociada de capacidad de energía.
Figura 3: Las celdas de iones de litio ofrecen un óptimo rendimiento cuando se utilizan dentro de un rango estrecho de temperatura ambiente y con diferencias mínimas de temperatura entre las diferentes celdas en un conjunto de múltiples celdas. (Fuente: Grupo de energía y potencia de la Universidad de Oxford)
Sin embargo, surgen problemas serios si se permite que las celdas de iones de litio alcancen temperaturas más elevadas mediante una combinación de calor corporal continuo, alta temperatura ambiente, calor solar, ventilación deficiente u otros factores. Más allá del rango óptimo de temperatura, los procesos químicos se aceleran notablemente y el mayor nivel de temperatura y presión internas puede incrementarse rápidamente hasta alcanzar una fuga térmica.
Mitigación de fuga térmica
El proceso de fuga térmica comienza en forma gradual con un aumento de temperatura dentro de una celda debido a una falla eléctrica, un mal uso mecánico o la presencia de una fuente externa de calor como una celda cercana que está más avanzada dentro del ciclo de fuga térmica. A medida que aumenta la temperatura en la celda, las interacciones químicas generan la ruptura exotérmica de los componentes de la celda, lo cual eleva aún más las temperaturas de la celda. Finalmente, los electrodos se rompen y liberan gases inflamables. A medida que la temperatura y la presión aumentan dentro de la celda, el separador se desintegra y se produce un corto circuito en la celda, lo cual libera aún más calor. Los diferentes diseños de celdas y químicas de la batería cambian el umbral, lo cual conduce a la ruptura y la fuga térmica irreversibles pero, finalmente, la temperatura de la celda puede dispararse a cientos de grados centígrados (Figura 4). En este momento, se produce una falla catastrófica en la batería, se rompe su compartimento y generalmente es consumida por el fuego cuando los gases liberados reaccionan con el oxígeno en los alrededores.
Figura 4: Utilizando tres tipos diferentes de baterías de iones de litio comerciales (azul, verde y rojo), los investigadores descubrieron que las baterías exhibían picos de ruptura térmica con un perfil predecible pero con el cambio de umbral según el tipo de batería, el calor externo (1 frente a 2), o simplemente debido a las variaciones entre dispositivos similares. (Fuente: Royal Society of Chemistry)
Las fuentes de alimentación de iones de litio están diseñadas con circuitos dedicados capaces de manejar celdas individuales y equilibrar la carga en paquetes de múltiples celdas, y al mismo tiempo brindar protección contra condiciones de sobretensión y subtensión, corriente de carga excesiva y altas temperaturas. Además de la protección electrónica integrada, las baterías de litio son fabricadas con una serie de resguardos mecánicos incorporados diseñados para mitigar los factores que conducen a la fuga térmica (Figura 5). Los componentes de la batería generalmente se sellan con juntas o soldaduras que están diseñadas para fallar bajo presión interna elevada. Para ofrecer protección adicional, las tapas de la batería generalmente son ranuradas o se fabrican de algún otro modo con discos de ruptura específicos diseñados para abrirse para liberar la presión. Los dispositivos de interrupción de carga (CID) rompen físicamente la conexión entre la celda y el circuito externo en respuesta a sobrecarga, exceso de descarga, sobrecalentamiento o cortocircuito interno.
Figura 5: Una tapa de batería cilíndrica típica incluye una serie de estructuras mecánicas diseñadas para evitar condiciones que puedan generar una falla catastrófica y una fuga térmica.
(Fuente: Laboratorio Nacional de Energía Renovable del Departamento de Energía de los EE. UU.)
Uno de los métodos más efectivos de mitigación en las baterías comerciales de iones de litio utiliza una estructura de coeficiente de temperatura positivo (PTC) de limitación de corriente. Al anillar la tapa de la batería en forma interna (nuevamente, observe la Figura 5), el dispositivo de PTC limita las corrientes externas si se produce un cortocircuito en la batería. Los PTC de las baterías generalmente se construyen a partir de una matriz de polietileno cristalino impregnado con partículas conductoras, que exhibe un gran aumento de la resistencia con el aumento de la temperatura. Si se produce un cortocircuito en la batería, el rápido aumento de corriente provoca el autocalentamiento en el dispositivo de PTC. Como consecuencia, la resistencia del dispositivo de PTC aumenta rápidamente y reduce el flujo de corriente. Mientras la batería permanece en cortocircuito, la resistencia del dispositivo de PTC permanece elevada y limita la corriente hasta que se elimina la condición de cortocircuito. Cuando la batería regresa a una condición segura de funcionamiento, la resistencia del dispositivo de PTC regresa al nivel normal, y proporciona a la batería un fusible protector reseteable.
Protección física
En la operación a largo plazo, los electrodos de las celdas pueden romperse gradualmente e incluso separarse, lo cual conduce a una pérdida de capacidad general. En algunos casos, las fracturas en estos electrodos o incluso simplemente las impurezas en los electrodos pueden provocar la formación de dendrita, en la que el litio metálico esencialmente se cristaliza en el ánodo de la batería. Con el tiempo, a medida que el litio metálico continúa creciendo en la dendrita, la dendrita puede aumentar hasta llegar a un pico. Finalmente, la dendrita puede alcanzar una longitud tal que perfora el separador entre los electrodos y crear un cortocircuito en la celda.
Figura 6: Las micrografías de formación de dendrita muestran el rápido aumento de tamaño de estos picos de litio metálico y su crecimiento aleatorio, lo cual puede finalmente comprometer las estructuras internas y producir un cortocircuito en la celda de iones de litio. (Fuente: Laboratorio Nacional de Energía Renovable del Departamento de Energía de los EE. UU.)
Si bien la formación de dendrita puede ser un efecto a más largo plazo, fuerzas externas como la vibración o la aceleración repentina pueden dañar los electrodos, lo cual aumenta la probabilidad de formación de dendrita; pueden degradar la integridad estructural de la estructura física de la batería, lo cual compromete la protección; o incluso pueden romper las conexiones eléctricas, lo cual provoca la falla de la batería.
Los traumas mecánicos externos repentinos en una batería de iones de litio pueden exponer literalmente la batería al riesgo de fuga térmica. En los deportes y la actividad física, las perforaciones causadas por equipos como raquetas, palos de hockey o calzados deportivos pueden atravesar el paquete externo y afectar el separador, lo cual crea una ruta de conductividad entre los electrodos. Lo que es peor, una perforación puede producir una pérdida en el electrolito no acuoso o incluso puede hacer que este libere gases inflamables si la batería dañada comenzó a degradarse químicamente.
De manera similar, si se aplasta una batería de litio, el daño en los electrodos puede, en el mejor de los casos, afectar el rendimiento de la batería. En el peor de los casos, si la estructura de la batería se aprieta tanto que se penetra el separador, es probable que ocurra un cortocircuito y se produzca una amenaza de fuga térmica.
Los fabricantes se anticipan a estos problemas con compartimentos de baterías apropiados para la aplicación. En dispositivos de consumo comunes, los paquetes de baterías pueden estar sellados en compartimentos rígidos de metal o plástico, o incluso envueltos en una película retráctil cuando los requisitos de peso lo exigen y las consideraciones de seguridad permiten un empaquetado mínimo.
Los fabricantes de empaquetado personalizado de baterías como iTECH y Nuvation combinan diseños específicos de celdas de iones de litio con una combinación de materiales y métodos de fabricación para crear compartimentos apropiados para estos dispositivos. La popular celda cilíndrica por lo general utiliza un paquete de acero inoxidable que puede ser demasiado voluminoso para las aplicaciones deportivas y de actividad física portátiles. Para estas aplicaciones, los fabricantes por lo general recurren a diseños de celdas prismáticas, las cuales utilizan una estructura compacta en capas que resulta en geometrías de celdas más delgadas, y generalmente vienen empaquetadas en contenedores metálicos. Para diseños ultracompactos, los diseños de celdas de bolsa son estructuras simples en las que los electrolitos y los electrodos están contenidos en una bolsa delgada sellada con conexiones producidas mediante pestañas de película conductora soldadas al electrodo.
Las tecnologías de iones de litio ofrecen densidades de energía significativamente más altas que las de tecnologías de baterías anteriores. Empaquetadas en compartimentos apropiados y utilizadas dentro de las condiciones de funcionamiento recomendadas, las celdas de iones de litio ofrecen una fuente de energía eficiente capaz de satisfacer las demandas físicas y energéticas de las aplicaciones deportivas y de actividad física.