Embalamiento térmico y cómo puede afectar a las baterías

 

Actualizado: 25.SEP.2023

 

Embalamiento térmico (en inglés, "thermal runaway") o fuga térmica son conceptos comúnmente utilizados para describir a todos aquellos procesos que se aceleran por el propio aumento de temperatura que generan ellos mismos.

En general, se asocia con procesos reactivos fuertemente exotérmicos (que desprenden calor) y que se aceleran por el aumento de temperatura que ellos mismos provocan. Este es un fenómeno por el que una reacción química que genera calor se ve acelerada por la propia temperatura que genera, lo que hace que entre en un bucle que suele acabar en incendio o explosión.

 

¿Qué es el embalamiento térmico en las baterías?

En el caso de los dispositivos eléctricos como las baterías, el embalamiento térmico se asocia con aquellas situaciones donde se produce un gran flujo de corriente eléctrica acompañado de una gran disipación de energía en forma de calor y que se produce de una manera descontrolada.

En el caso de las baterías de iones de litio, éstas funcionan en un rango de temperatura estrecho, por lo que mantener la temperatura adecuada de la batería es fundamental para su estabilidad y seguridad.

El embalamiento térmico que puede darse en las baterías de iones litio, por ejemplo, ocurre cuando falla alguna celda de la batería y el calor generado es tan elevado que excede a la propia capacidad que tiene la batería para evacuar este exceso de calor de su estructura, y entonces se propaga a la celda siguiente, lo que hace que esta nueva celda se vuelva inestable térmicamente.

Se trata, pues, de una reacción en cadena incontrolada que se retroalimenta gracias al calor generado en el interior de las celdas de la batería que se ven afectadas, lo que desencadena una espiral de reacciones descontroladas que puede terminar con el incendio de la propia batería.

El embalamiento o fuga térmica no es un fenómeno que sólo puede ocurrirle a las baterías de iones de litio, sino también puede darse en las baterías de plomo-ácido reguladas por válvula, en las baterías de plomo-ácido ventiladas o en las baterías de Ni-Cad.

El embalamiento térmico, por tanto, es un problema serio con el que hay que contar y que puede afectar de manera muy directa a las baterías de iones litio, por otro lado muy de moda actualmente con la nueva era de electrificación de gran parte de la actividad humana.

En efecto, las baterías de litio se utilizan hoy en día en una amplia variedad de dispositivos electrónicos, como portátiles, teléfonos móviles, tabletas, reproductores de música y cámaras digitales. También se utilizan en los vehículos eléctricos y en sistemas de energía de emergencia, como los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) que protegen las instalaciones críticas, como las granjas de servidores. Las baterías de litio también se utilizan en herramientas eléctricas, bicicletas y equipos médicos. Por tanto, el fenómeno de embalamiento o fuga térmica es un aspecto que debe ser tratado y estudiado con minuciosidad, dado que la seguridad y la vida de las personas depende de ello.

 

Pero, ¿qué causa el embalamiento térmico en las baterías?

Las causas por las que se puede iniciar un fenómeno de fuga térmica en una batería no son únicas, y pueden estar relacionados directamente con defectos en la fabricación, golpes en la batería que afecten a las celdas, o bien, las condiciones ambientales, sobre todo por el exceso de calor o de humedad que puedan llegar a provocar un cortocircuito en la batería y el posterior fenómeno de embalamiento térmico. Las descargas excesivas o las sobrecargas también son causas habituales.

Es importante tener en cuenta que los coches eléctricos a baterías también pueden experimentar embalamiento térmico en caso de accidente. Si se daña el blindaje de la batería y entra aire, puede producirse un cortocircuito y el posterior embalamiento térmico de la batería. Esto puede provocar un incendio rápido y súbito.

Pero como no todo van a ser malas noticias, los investigadores han descubierto una forma de medir los cambios de temperatura de las celdas de la batería cuando son peligrosos, de manera que incluyen dispositivos electrónicos, los llamados sistemas de gestión de baterías (BMS), que son capaces de cortar la generación de calor en caso que sea necesario. Lo hacen aplicando pequeñas cargas de corriente a unas determinadas frecuencias, lo que en la práctica supone instalar un pequeño chip de muy bajo coste que ya forma parte de la fabricación estándar de las baterías modernas.

 

¿Cómo prevenir el embalamiento térmico en las baterías?

Lo primero y más importante que debemos hacer para controlar la temperatura de fuga térmica de cualquier batería de litio es cuidar la batería, no almacenarla por tiempo prolongado en lugares que resulten de un ambiente agresivo, de excesivo calor o mucha humedad, y realizar un mantenimiento adecuado de la temperatura de conservación de la batería.

También vale la pena señalar que solo debe usarse adaptadores específicos y originales que indica el fabricante para cargar las baterías. El uso de un cargador no designado no solo dañará la batería, sino que también puede ser muy peligroso ya que corre el riesgo de generar una sobrecarga que pueda provocar un incendio.

Es conveniente que cuando se compre cualquier artículo que incorpore para su funcionamiento una batería de iones litio, se debería observar y tomar nota del tiempo de funcionamiento que proporciona la batería cuando está completamente cargada y nueva. Utilice esta información recién obtenida como referencia y compare los tiempos de funcionamiento de la batería conforme va pasando el tiempo de uso.

Cuando nuestra batería de iones de litio se acerque al final de su ciclo de vida estimado por el fabricante, es importante que controlemos la batería cuidadosamente para detectar cualquier hinchazón o cualquier otro signo de falla.

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NOTA: Considere reemplazar la batería por una nueva si el tiempo de funcionamiento de la batería cae por debajo de aproximadamente el 80% del tiempo de funcionamiento original o si el tiempo de carga completa de la batería aumenta significativamente.

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Cuando una batería de iones de litio se vaya a almacenar durante un período prolongado sin usar, hay que asegurarse que se siguen las instrucciones de almacenamiento proporcionadas por el fabricante de la batería. En el caso que se haya almacenado por un largo periodo de tiempo una batería completamente descargada, ésta no debe ser recargada de nuevo por razones de seguridad, sino que es recomendable llevarla a un especialista local para su recarga.

Esto es debido porque cuando una batería de iones de litio está completamente descargada, significa que se descarga por debajo de 2,5 voltios por celda. En este caso, se activa un circuito de seguridad incorporado que abrirá y bloqueará la batería. Por eso, cuando a una batería completamente descargada se le enchufa su cargador convencional, la batería parecerá que no reacciona. Es por eso que si alguna vez nos hemos encontrado en esta situación, lo mejor es acudir a un especialista para solucionar este problema. Cuando el Li-ion alcanza este estado de descarga completa, sólo los analizadores de batería con función de refuerzo pueden realizar de nuevo y correctamente la recarga de la batería.

 

¿Es peligroso el embalamiento térmico en las baterías?

Sí, los fenómenos de embalamiento térmico en las baterías de iones de litio pueden resultar muy peligrosos. Como sabemos, el embalamiento térmico se produce cuando las baterías de iones de litio experimentan una fuga térmica descontrolada. Esto desencadena un proceso de degradación autoacelerado debido al calor generado, lo que al final puede resultar en explosiones e incendios.

La dificultad en la extinción de este tipo de incendio radica justamente en este fenómeno de embalamiento térmico, ya que una vez iniciado no existen hoy en día estrategias 100% efectivas que permitan frenar el proceso. Además, este tipo de incendio no requiere de la presencia de oxígeno para su desarrollo y se propaga rápidamente desde la celda que resultó inicialmente dañada hacia otras celdas adyacentes.

Desde el punto de vista de la norma NFPA (National Fire Protection Association) se defiende que el agua es el medio más efectivo para enfriar un incendio de este tipo. Por este motivo, la NFPA855 indica que cualquier estancia que almacene dispositivos con este riesgo de incendio deberá protegerse con rociadores mediante NFPA13 o equivalente. También se permiten otros sistemas de extinción siempre y cuando hayan sido probados para estos riesgos: extinción automática con CO2, agua nebulizada, agua pulverizada, etc. Hay que tener en cuenta que un extintor de polvo es insuficiente para este tipo de fuegos.

No obstante, la propia NFPA 855 se refiere exclusivamente a sistemas de almacenamiento de energía estacionarios, de los cuales las baterías de Ion-Litio representan sólo una pequeña parte. La misma NFPA 18A menciona en su anexo A que aunque las baterías estacionarias se deban proteger siguiendo la NFPA 855, en realidad no existe una sola norma publicada en la NFPA que cubra al 100% la protección de las baterías de Ion-Litio.

La razón es que, dada la naturaleza química del fuego generado en este tipo de baterías, el empleo del agua nunca podrá tener una función de extinción, ya que no tiene capacidad de romper el triángulo del fuego para este caso. En el mejor de las situaciones, el agua sólo podría actuar como una medida de apantallamiento térmico que dificultase el embalamiento térmico hacia otras celdas adyacentes de la misma batería o la propagación del fuego fuera de ésta, pero la realidad es que lograr ese efecto en dispositivos de movilidad eléctricos se está demostrando, cuanto menos, complicado.

Pero la tecnología avanza ante las nuevas necesidades planteadas por la sociedad, y actualmente existen firmas comerciales que están desarrollando nuevos agentes extintores específicos para este tipo de riesgo de incendio, como el hidrogel, que parece se está convirtiendo en un agente muy válido y con un futuro prometedor para lograr extinguir eficazmente los incendios de las baterías de iones de litio.

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