Funcionamiento de las baterías de litio y sus riesgos por un mal uso. Riesgo de explosión o incendio

Las baterías son dispositivos que almacenan energía en forma electroquímica y es el más ampliamente usado para almacenar energía en una variedad de aplicaciones.

Existen dos tipos básicos de baterías:

• Batería primaria: su reacción electroquímica es irreversible, es decir, después de que la batería se ha descargado no puede volver a cargarse.
• Batería secundaria: su reacción electroquímica es reversible, es decir después de que la batería se ha descargado puede ser cargada inyectándole corriente continua desde una fuente externa. Su eficiencia en un ciclo de carga y descarga está entre el 70% y 80%.

Funcionamiento Básico de una batería

En general el funcionamiento de una batería, se basa en una celda electroquímica. Las celdas electroquímicas tienen dos electrodos: El Ánodo y el Cátodo. El ánodo se define como el electrodo en el que se lleva a cabo la oxidación y el cátodo donde se efectúa la reducción. Los electrodos pueden ser de cualquier material que sea un conductor eléctrico, como metales, semiconductores.

Para completar el circuito eléctrico, las disoluciones se conectan mediante un conductor por el que pasan los cationes y aniones, conocido como puente de sal (o como puente salino).

Los cationes disueltos (K+)se mueven hacia el Cátodo y los aniones (Cl-) hacia el Ánodo para que las disoluciones de neutralicen.

La corriente eléctrica fluye del ánodo al cátodo por que existe una diferencia de potencial eléctrico entre ambos electrolitos

Características que definen una batería:

• La cantidad de energía que puede almacenar.
• El número de Wh puede calcularse multiplicando el valor del voltaje nominal por el número de Ah.
• La máxima corriente que puede entregar (descarga).
• Se especifica como un numero fraccionario, por ejemplo para C=200[Ah] una de tipo C/20=10A quiere decir que la batería puede entregar 10A por 20 horas.
• La profundidad de descarga que puede sostener.
• Representa la cantidad de energía que puede extraerse de una batería. Este valor está dado en forma porcentual.

Baterías de Ion-litio

Problemas presentados en la utilización de las Baterías de Litio

Las baterías de litio pueden presentar diversos problemas que pueden originar que el rendimiento de esta sea menor o incluso que se conviertan en un peligro. Existen diversos factores que pueden alterar la condición de la batería desde caídas, aplastamientos hasta uso inadecuado al someter a la batería a niveles de corriente, voltaje y temperatura superiores a los establecidos en sus especificaciones.

Tres de las problemáticas más comunes presentadas por las baterías de litio y que pueden causar cortocircuitos y explosiones de estas, son la sobrecarga, la fuga térmica y el crecimiento de dendritas de litio. El proceso de sobrecarga se relaciona con el flujo de corriente inyectado a la celda aun cuando esta se encuentra en su máxima capacidad.

Funcionamiento de las dentritas

Las dendritas son pequeñas estructuras rígidas en forma de árbol que crecen en el interior de una batería de litio como proyecciones en forma de aguja. Estas formaciones pueden llegar a perforar el separador que evita que los electrodos (cátodo y ánodo) se toquen. Además, también aumentan las reacciones no deseadas entre el electrolito, en el que están sumergidos estos electrodos y por el que viajan los iones, acelerando los fallos de la batería.

La formación de las dendritas comienza cuando los iones de litio se agrupan en la superficie del ánodo, formando una primera partícula. La estructura crece lentamente a medida que más iones de litio se acoplan a ella, aumentando su tamaño de la misma manera que una estalagmita crece desde el suelo de una cueva.

El concepto de fuga térmica se refiere al aumento de temperatura producto de un uso incorrecto y el crecimiento de dendritas de litio a través del cual se perfora el separador y se conectan los electrodos de la batería.

Esto provocaba que estas baterías se sobrecalentasen, llegando a explotar. Lo que sucedía es que tras cada ciclo de carga y descarga de la batería se iban formando dendritas de litio que traspasaban la barrera de electrolito hasta llegar al cátodo, produciendo así un cortocircuito.

El problema parecía resolverse usando un ánodo diferente. En lugar de un sulfuro metálico, se probó con un óxido metálico, en concreto el dióxido de cobalto (CoO2) que, combinado con el litio se denomina óxido de cobalto-litio (LiCoO2). El LiCoO2 tiene un potencial de reducción tan alto, que ni siquiera hacía indispensable el uso de litio metálico puro como ánodo, sino que podría usarse otra sustancia que acomodase al litio de forma más estable y segura.

A través de diferentes estudios establecieron mecanismos para abordar estas problemáticas. Entre ellas se propuso un circuito eléctrico de protección para evitar sobrecargas de voltaje y un sistema para evitar la fuga térmica. Tambien se ha podido demostrar que es posible eliminar el problema de la formación de las dendritas sustituyendo el metal de litio por potasio.

La solución mas acertada llegaría en 1985 de la mano de la corporación japonesa Asahi Kasei. Descubrieron que el coque de petróleo —un sólido carbonoso derivado del refinado del petróleo— era capaz de acomodar al litio de forma muy eficiente. En muchos textos se le llama grafito. Es cierto que se le parece, pero no es exactamente grafito, sino un material de carbono que presenta dominios cristalinos grafíticos —en capas— y dominios no cristalinos. Entre unos y otros se acomodan los iones de litio

En 1991, la empresa Sony, en colaboración con Asahi Kasei, sacaron a la venta la primera batería ion litio comercial con ánodo de óxido de cobalto-litio y cátodo de coque. El hecho de que los iones de litio entren y salgan ordenadamente en el ánodo y en el cátodo, forzados por las estructuras bidimensionales del coque y del óxido del cobalto, garantiza que las baterías apenas tengan efecto memoria. Es decir, las podemos cargar sin esperar a que se hayan descargado completamente sin miedo a que la batería se vicie.

En la actualidad se producen baterías de litio con cátodos todavía más eficientes. Como el cobalto es un elemento químico caro y relativamente escaso, el óxido de cobalto-litio se ha sustituido por el de fosfato de hierro-litio (LiFePO4) haciéndolas más baratas de producir. Se conocen como LFP, y adoptan estructuras cristalográficas diferentes. La de LFP con estructura tipo olivino es la que en la actualidad comercializa Sony. Puede durar 10 años si se carga a diario, cuando normalmente no sobrepasaban los 3-4 años. También tienen carga rápida, ya que en 2 h cargan el 95% de su capacidad.

Pero, ¿porque explotan o se incendian la baterías de litio?.

El principal riesgo inherente en las baterías de litio es la cantidad de energía que estas albergan. En casos extremos, generalmente provocados por usos inadecuados o factores externos, se pueden provocar cortocircuitos e incluso llegar a la combustión. Al liberar oxígeno, se pueden producir fugas térmicas, lo que significa que el fuego generado se produce a través de una reacción en cadena.

Principales causas:

• Sobrecarga: cuando una batería se sobrecarga, significa que se ha realizado una carga por encima de los voltios permitidos. Como resultado, en casos extremos, la batería podría incluso llegar a encenderse espontáneamente.Para evitar esto, estas baterías incorporan unidades de control (BMS, del inglés Battery Management System) encargadas evitar sobrecargas.
• Descarga profunda: cuando las baterías de litio se descargan más allá del voltaje mínimo permitido de la batería, hablamos de descarga profunda. El estado de descarga profunda dañaría la batería. El BMS es el encargado, también en este caso, de evitar esta situación de descarga profunda para minimizar riesgos.
• Exposición a altas temperaturas: la exposición a una temperatura superior a 60ºC podría causar una combustión espontánea en la batería de litio.También podríamos dañar la batería en el caso opuesto con temperaturas bajo cero, convirtiendo el sistema en inestable. 
• Golpes o impactos: las baterías de litio podrían dañarse si, por ejemplo, un operario colisionara con una maquina que contiene baterias o le diera un golpe fuerte accidentalmente a una batería. En estas situaciones, la batería podría perforarse, lo que podría llegar a provocar un incendio.El golpe también podría dañar el BMS, la unidad que controla la batería y que gestiona su uso en condiciones seguras y óptimo rendimiento. Es por este motivo que es especialmente importante que un técnico especializado verifique el estado de la batería tras un choque importante.

Consideraciones en caso de incendio provocado por baterías de Ión-litio:

• Es recomendable extinguir el fuego con extintores especiales para baterías de litio, conocidos como extintores de AVD (Solución Acuosa de Vermiculita). Esta solución se adhiere a los gases de combustión para extinguir el fuego.
• Si el incendio se inicia en un espacio cerrado, podría extinguirse a través de un sistema de extinción con sprinklers( No esta demostrado que sea totalmente efectivo).
• Otra opción en caso de incendio, es enfriar la batería para evitar fugas térmicas.Utilizar sistemas automáticos tipo Blazecut.
• Pese a que el litio es un metal, un incendio por baterías de litio no deberá tratarse de igual forma que un fuego de metal, por lo que no deberán utilizarse extintores para incendios de metal.
• La prevención es esencial para evitar posibles incendios. Tenga en cuenta todos los requisitos contra incendios a la hora de diseñar su almacén con seguridad así como la seguridad en las diferentes áreas de carga de baterías.

Fuentes:Déborah García Bello / Toyota