Los incendios de baterías son un problema de seguridad pública cada vez mayor: aquí se explica cómo reducir el riesgo

En la era electrónica actual, las baterías recargables de iones de litio son omnipresentes.En comparación con las versiones de plomo-ácido que han dominado el mercado de baterías durante décadas, las baterías de iones de litio pueden cargarse más rápido y almacenar más energía con la misma cantidad de peso.

Estos dispositivos hacen que nuestros aparatos electrónicos y coches eléctricos sean más ligeros y duraderos, pero también tienen desventajas.Contienen mucha energía y, si se incendian, arden hasta que se libera toda la energía almacenada.Una liberación repentina de enormes cantidades de energía puede provocar explosiones que amenazan vidas y propiedades.

Como científicos que estudian generación de energía, almacenamiento y conversión, y ingeniería automotriz, tenemos un gran interés en el desarrollo de baterías que sean seguras y densas en energía.Y vemos señales alentadoras de que los fabricantes de baterías están avanzando hacia la solución de este importante problema técnico.

Un nuevo peligro de incendio

El transporte urbano está experimentando un cambio transformador hacia la electrificación.A medida que aumentan las preocupaciones en ciudades de todo el mundo sobre el cambio climático y la calidad del aire, vehículos eléctricos han tomado protagonismo.

Al mismo tiempo, las bicicletas eléctricas y los scooters eléctricos están transformando el transporte urbano al proporcionar formas convenientes y con bajas emisiones de carbono para circular por calles concurridas y reducir la congestión del tráfico.Desde 2010 hasta 2022, las bicicletas eléctricas y los scooters eléctricos compartidos (aquellos propiedad de redes de alquiler) representaron más de 500 millones de viajes en EE.UU.ciudades.Las bicicletas eléctricas de propiedad privada suman a ese total:En 2021, Se vendieron más de 880.000 bicicletas eléctricas en EE. UU., frente a 608.000 coches y camiones eléctricos.

Los vehículos propulsados ​​por baterías representan una pequeña parte de incendios de automóviles, pero Controlar los incendios de vehículos eléctricos es difícil.Por lo general, el incendio de un vehículo eléctrico arde a aproximadamente 5.000 grados Fahrenheit (2.760 Celsius), mientras que un vehículo propulsado por gasolina arde a 1.500 F (815 C).Se necesitan alrededor de 2,000 galones de agua para extinguir un vehículo a gasolina en llamas;Apagar un incendio en un vehículo eléctrico puede llevar 10 veces más.

Esta es una preocupación importante en las grandes ciudades donde los vehículos eléctricos son populares.Los departamentos de bomberos de la ciudad de Nueva York y San Francisco informan sobre el manejo más de 660 incendios involucrando baterías de iones de litio desde 2019.En la ciudad de Nueva York, estos incendios provocaron 12 muertos y más de 260 heridos desde 2021 hasta principios de 2023.Es evidente que existe la necesidad de prácticas de manipulación y carga más seguras, así como de mejoras técnicas en las baterías.

Muchas baterías en un EV

Para comprender los incendios de baterías de iones de litio, es importante conocer algunos conceptos básicos.Una batería contiene sustancias químicas que contienen energía, con un separador entre sus electrodos positivo y negativo.Funciona por convertir esta energía en electricidad.

Los dos electrodos de una batería están rodeados por un electrolito, una sustancia que permite que fluya una carga eléctrica entre los dos terminales.En una batería de iones de litio, por ejemplo, los iones de litio transportan la carga eléctrica.Cuando un dispositivo se conecta a una batería, se producen reacciones químicas en los electrodos y crean un flujo de electrones en el circuito externo que alimenta el dispositivo.

Los teléfonos móviles y las cámaras digitales pueden funcionar con una sola batería, pero un coche eléctrico necesita mucha más energía y potencia.Dependiendo de su diseño, un vehículo eléctrico puede contener docenas a miles de baterías individuales, que se conocen como células.Las células se agrupan en conjuntos llamados módulos, que a su vez se ensamblan en paquetes.Un vehículo eléctrico estándar contendrá un paquete de baterías grande con muchas celdas en su interior.

¿Qué causa los incendios de la batería?

Normalmente, un incendio en la batería comienza en una sola celda dentro de una batería más grande.Hay tres razones principales por las que una batería se enciende:daños mecánicos, como aplastamiento o penetración cuando chocan vehículos;Daños eléctricos causados ​​por una fuente externa o interna. cortocircuito;o sobrecalentamiento.

Los cortocircuitos de la batería pueden deberse a una manipulación externa defectuosa o a reacciones químicas no deseadas dentro de la celda de la batería.Cuando las baterías de iones de litio se cargan demasiado rápido, las reacciones químicas pueden producir agujas de litio muy afiladas llamadas dendritas en el ánodo de la batería, el electrodo con carga negativa.Finalmente, penetran el separador y alcanzan el otro electrodo, provocando un cortocircuito interno en la batería.

Estos cortocircuitos calientan la celda de la batería a más de 100 C (212 F).La temperatura de la batería aumenta lentamente al principio y luego de una vez, alcanzando su temperatura máxima en aproximadamente un segundo.

Otro factor que hace que los incendios de baterías de iones de litio sean difíciles de manejar es la generación de oxígeno.Cuando los óxidos metálicos del cátodo o electrodo cargado positivamente de una batería se calientan, descomponer y liberar oxígeno gaseoso.Los incendios necesitan oxígeno para arder, por lo que una batería que pueda generar oxígeno puede sostener un incendio.

Debido a la naturaleza del electrolito, un aumento del 20% en la temperatura de una batería de iones de litio provoca que se produzcan algunas reacciones químicas no deseadas mucho más rápido, lo que libera calor excesivo.Este exceso de calor aumenta la temperatura de la batería, lo que a su vez acelera las reacciones.El aumento de la temperatura de la batería aumenta la velocidad de reacción, creando un proceso llamado fuga térmica.Cuando esto sucede, la temperatura de una batería puede aumentar de 212 F (100 C) a 1800 F (1000 C) en un segundo.

Gestión del problema de la fuga térmica

Los métodos para garantizar la seguridad de la batería pueden centrarse en las condiciones exteriores o interiores de la batería.La protección externa generalmente implica el uso de dispositivos electrónicos, como sensores de temperatura y válvulas de presión, para garantizar que la batería no esté sometida a calor o fuerza que pueda provocar un accidente.

Sin embargo, estos mecanismos hacen que la batería sea más grande y pesada, lo que puede reducir el rendimiento del dispositivo que alimenta.Y es posible que no sean confiables bajo temperaturas o presiones extremas, como las que se producen en un accidente automovilístico.

Las estrategias de protección interna se centran en el uso de materiales intrínsecamente seguros para los componentes de la batería.Este enfoque ofrece la oportunidad de abordar los peligros potenciales en su origen.

Hacer que una fuga térmica en un paquete de baterías sea menos intensa requiere una combinación de mejoras de software y hardware.Los científicos están trabajando para desarrollar cátodos que liberen menos oxígeno cuando se descompongan;electrolitos no inflamables; electrolitos de estado sólido, que no se inflaman y también pueden ayudar a aliviar el crecimiento de dendritas;y separadores que pueden soportar altas temperaturas sin derretirse.

Ya se está utilizando otra solución: sistemas de gestión de baterías.Estos son paquetes de hardware y software integrados en paquetes de baterías que pueden monitorear parámetros vitales de la batería, como el estado de carga, la presión interna y la temperatura de las celdas del paquete de baterías.

Así como un médico utiliza los síntomas de un paciente para diagnosticar y tratar su enfermedad, los sistemas de administración de baterías pueden diagnosticar condiciones dentro del paquete de baterías y tomar decisiones autónomas para apagar las baterías con puntos calientes o alterar la distribución de carga para que cualquier batería individual no calentarse demasiado.

La química de las baterías está evolucionando rápidamente, por lo que los nuevos diseños requerirán nuevos sistemas de gestión de baterías.Muchos productores de baterías están formando asociaciones que reúnen a fabricantes con experiencia complementaria en baterías para afrontar este desafío.

Los usuarios también pueden tomar medidas para maximizar la seguridad.Utilice tomas y equipos de carga recomendados por el fabricante y evite sobrecargar o dejar un vehículo eléctrico enchufado durante la noche.Inspeccione la batería periódicamente para detectar signos de daño o sobrecalentamiento.Estacione el vehículo lejos de entornos extremadamente calientes o fríos (por ejemplo, estacione a la sombra durante las olas de calor) para evitar el estrés térmico en la batería.

Finalmente, en caso de colisión o accidente con un vehículo eléctrico, siga los protocolos de seguridad del fabricante y desconecte la batería si es posible para minimizar el riesgo de incendio o electrocución.