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La mayoría de las pilas son de iones de litio
Las instalaciones de energía eólica, los parques de energía solar, las microrredes, los centros de datos y las instalaciones de telecomunicaciones comparten al menos una característica común: dependen de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) compuestos por miles de baterías de iones de litio.
Aunque las baterías de iones de litio ofrecen numerosas ventajas, también presentan algunos inconvenientes. Por un lado, los sistemas de almacenamiento de energía con baterías de iones de litio requieren complejos sistemas de gestión de baterías (BMS) para mantener unos parámetros de funcionamiento seguros en cuanto a tensión, temperatura y carga. Una gestión inadecuada o un uso incorrecto de las baterías puede provocar averías, con el consiguiente venteo o sobrecalentamiento. Si una batería se incendia (fuga térmica), puede convertirse rápidamente en un incendio catastrófico e incluso provocar explosiones. Estos incendios son extremadamente difíciles de extinguir y pueden propagarse rápidamente a las baterías vecinas en un efecto dominó.
¿Qué es la fuga térmica de la batería?
El desbordamiento térmico de la batería se refiere a una amplificación acumulativa de la corriente y la temperatura de la batería durante la carga a tensión constante, lo que provoca un daño gradual de la batería. En las baterías típicas, debido a la ausencia de espacios entre las placas positiva y negativa llenos de líquido, el oxígeno generado en el electrodo positivo durante el proceso de carga no puede llegar al electrodo negativo, haciéndolo propenso a la generación de hidrógeno junto con el escape de oxígeno de la batería.
Causa del desbordamiento térmico de la batería
Las razones que provocan el desbordamiento térmico de la batería se derivan de una selección y un diseño térmico inadecuados de la batería, o de factores externos como cortocircuitos que provocan temperaturas elevadas en la batería, conexiones de cables sueltas, etc. La solución debe abordar tanto el diseño de la batería como su gestión.
El desbordamiento térmico desencadenado por la sobrecarga se produce específicamente cuando el propio sistema de gestión de la batería carece de funciones de seguridad de circuito para la sobrecarga, lo que provoca que el BMS de la batería pierda el control mientras se sigue cargando.
Los cortocircuitos internos también pueden provocar un desbordamiento térmico, y las impurezas de fabricación de la batería, las partículas metálicas, la expansión y contracción durante los ciclos de carga y descarga, el revestimiento de litio, etc., pueden causar cortocircuitos internos. Estos cortocircuitos internos se desarrollan lentamente, a lo largo de un periodo de tiempo muy prolongado, y es impredecible cuándo pueden provocar un desbordamiento térmico.
Además, las colisiones son un desencadenante mecánico típico del desbocamiento térmico. Por ejemplo, Tesla ha sufrido múltiples incidentes de incendio por este motivo. Los expertos han revelado que se llevó a cabo un análisis conjunto de los accidentes por colisión de Tesla en Estados Unidos en colaboración con la Universidad de Tsinghua y el MIT. A la hora de simular colisiones en el laboratorio, la analogía más cercana es un pinchazo.
Cómo detectar la fuga térmica de la batería
La nueva tecnología china ha desarrollado sensores de fibra óptica integrados, multimodales y de alta precisión que pueden implantarse en el interior de las baterías, y que son pioneros en el análisis preciso y la alerta temprana de todo el proceso de desbordamiento térmico de las baterías comerciales.
Al identificar los puntos de inflexión característicos y los patrones comunes en la reacción en cadena que desencadena el desbordamiento térmico de las baterías, ha permitido discriminar con precisión las "reacciones irreversibles" microscópicas internas de las baterías. Esto proporciona un medio esencial para interrumpir rápidamente la reacción en cadena del desbordamiento térmico de la batería y garantizar el funcionamiento seguro de las baterías dentro de su rango designado.
En el futuro, dado el pequeño tamaño, la forma flexible, la resistencia a las interferencias eléctricas y las capacidades operativas remotas de los sensores de fibra óptica, junto con la idoneidad para la producción en masa utilizando técnicas de fabricación estándar, será posible controlar simultáneamente varios parámetros críticos como la temperatura, la presión, el índice de refracción, la composición del gas y la concentración de iones en múltiples posiciones dentro de la batería utilizando una sola fibra óptica.
Cómo evitar la fuga térmica de la batería
Por batería individual
🔔Desde el punto de vista del diseño de materiales para baterías, se pueden desarrollar materiales que eviten el desbordamiento térmico e inhiban las reacciones que conducen a él. Desde el punto de vista de la gestión de las baterías, pueden predecirse distintos rangos de temperatura para definir varios niveles de seguridad, lo que permitiría un sistema de alerta graduado.
🔔Debido al envejecimiento de las baterías, se produce una mala consistencia de las mismas y sobrecargas. Por eso, al utilizar el método de combinación "primero en paralelo y luego en serie" para que los paquetes de baterías solucionen los problemas de consistencia individual, tienen la misma capacidad que la célula individual más pequeña. Con esta consistencia, se ha restaurado la capacidad, y también ayuda a prevenir la sobrecarga.
🔔Identifique fabricantes de baterías reputados, seleccione capacidades de baterías y celdas, realice predicciones de seguridad para cortocircuitos internos e identifique proactivamente celdas individuales con cortocircuitos internos antes de que se produzca el desbocamiento térmico.
🔔Construir un modelo de acoplamiento termoeléctrico para inhibir la propagación del calor de la batería y utilizar capas aislantes para el bloqueo y la supresión.
En el nivel de la unidad de batería
En el caso de las baterías, se hace mayor hincapié en soluciones innovadoras de gestión térmica adaptadas a distintos escenarios de aplicación para evitar el desbordamiento térmico de la batería. El primer aspecto es el diseño térmico (que incluye)
🔔Determinación de los objetivos y requisitos del sistema de gestión térmica
🔔Medir o estimar la generación de calor y la capacidad calorífica del módulo.
🔔Evaluación inicial del sistema de gestión térmica (incluida la selección de los medios de transferencia de calor, el diseño de las estructuras de disipación de calor, etc.).
🔔Predecir el comportamiento térmico de módulos y baterías.
🔔Diseño inicial del sistema de gestión térmica para.
🔔Diseña el sistema de gestión térmica y realiza experimentos.
🔔Optimización del sistema de gestión térmica.
Breve análisis de los principales métodos actuales de intercambio de calor:
👉La refrigeración por aire es un método que consiste en hacer pasar aire por la superficie del paquete de baterías para disipar el calor y evitar el desbordamiento térmico de la batería. Por ejemplo, los coches híbridos suaves como el Prius y el Insight de Japón utilizan métodos de ventilación en serie y en paralelo para eliminar el calor de la superficie de la batería de tracción.
Los sistemas de gestión térmica basados en aire para baterías de energía, aunque son rentables y relativamente sencillos con una dificultad de implementación baja, se enfrentan a retos a la hora de satisfacer los requisitos de disipación de calor de las baterías de energía en escenarios que implican un elevado número de baterías, un espacio de colocación limitado, un uso de alta potencia, condiciones de funcionamiento duras (como escalada o frenado) y un uso incorrecto (sobrecarga, sobredescarga, sobrecalentamiento, sobrecorriente, etc.).
👉Transferencia de calor por tubos de calor: este método también se utiliza para evitar el desbordamiento térmico de las baterías. Los tubos de calor, como componentes eficientes de transferencia de calor, pueden transferir rápida y eficazmente energía térmica entre dos objetos. En los sistemas de gestión térmica de los vehículos eléctricos, muchos investigadores tanto nacionales como extranjeros han aplicado tubos de calor como componentes de transferencia de calor para la disipación del calor de la batería de potencia. En comparación con los sistemas tradicionales de refrigeración por convección forzada, el sistema de disipación de calor que incorpora tubos de calor no sólo mantiene la batería de potencia dentro de su rango de temperatura de funcionamiento normal, sino que también garantiza una distribución uniforme de la temperatura entre las celdas individuales de la batería, algo que no se puede conseguir con los sistemas de refrigeración forzada. Sin embargo, los tubos de calor presentan los inconvenientes de un peso y volumen excesivos y tienen limitaciones de transferencia de calor.
👉Debido a las limitaciones de la tecnología de refrigeración por aire y del espacio de las tuberías de calor, se han empezado a aplicar en los sistemas de baterías técnicas de gestión térmica de baterías que utilizan medios líquidos para la refrigeración. Los sistemas de gestión térmica de baterías que emplean medios líquidos y convección forzada utilizan dispositivos o componentes (como bombas, canales de refrigeración líquida, válvulas, etc.) para transportar el medio líquido a la superficie de la batería. Utilizan la tecnología de transferencia de calor por flujo de medio líquido para calentar o enfriar la batería, garantizando que ésta funcione dentro del rango de temperatura ideal.
La tecnología de refrigeración líquida proporciona un control más uniforme de la temperatura de las baterías en comparación con la refrigeración por aire, pero los sistemas de refrigeración líquida son más complejos, requieren un consumo de energía adicional y son susceptibles de tener fugas, lo que puede provocar cortocircuitos en las baterías. Por ejemplo, Tesla utiliza tubo serpentina con materiales térmicos acoplados para formar un sistema de refrigeración líquida alrededor de baterías cilíndricas. El líquido refrigerante está compuesto por agua 50% y etilenglicol 50%, y el diferencial de temperatura puede controlarse dentro de los 2%. Para ahorrar más espacio y mejorar la eficiencia, armarios de refrigeración líquida también han empezado a ganar presencia en el mercado (se utilizan mucho en vehículos comerciales y también en contenedores de almacenamiento de energía).
👉Además, los sistemas de intercambio de calor con materiales de cambio de fase (PCM) utilizan materiales de cambio de fase como medio de transferencia de calor, aprovechando su capacidad para absorber (o liberar) calor de la batería durante las reacciones de cambio de fase. Esta tecnología de refrigeración proporciona un buen control de la temperatura y una distribución uniforme de la misma, pero es cara debido al coste de los materiales. Para hacer frente a las limitaciones de los materiales, algunos investigadores han introducido aditivos metálicos en el PCM, como finas láminas de aluminio, fibras de carbono, nanotubos de carbono, etc., para mejorar la conductividad térmica.
El desbordamiento térmico de las baterías es el incidente de seguridad más indeseable y evitado. La mejora de la seguridad de las baterías y la prevención del desbordamiento térmico requieren un esfuerzo combinado en el diseño de la formulación de las baterías, el diseño estructural y el diseño de la gestión térmica de los paquetes de baterías. Juntas, estas medidas mejoran la estabilidad térmica de la batería y reducen la probabilidad de que se produzcan escapes térmicos.
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