Será sólido

Jul 02, 2023

La fuga térmica y los incendios de baterías asociados han demostrado ser una preocupación crítica para los clientes, los diseñadores de baterías y los fabricantes de vehículos eléctricos. Muchos vehículos han experimentado incendios de baterías y cientos de miles han sido retirados del mercado. Si bien estos eventos son raros, pueden ser muy graves, y es importante brindar la máxima seguridad a las personas dentro y alrededor de estos vehículos. Una pregunta común es si la próxima tecnología de baterías de estado sólido será más segura y si esto eliminará la necesidad de materiales de gestión térmica y protección contra incendios.

El nuevo informe de IDTechEx "Baterías de polímero y estado sólido 2023-2033: tecnología, pronósticos, jugadores" analiza las tecnologías, los jugadores, la seguridad y la adopción de baterías de estado sólido.

A primera vista, las baterías de estado sólido presentan varios beneficios de seguridad. Eliminan el electrolito líquido inflamable y pueden reemplazarlo por un electrolito en estado sólido no inflamable. Por lo general, también tienen una ventana de temperatura de funcionamiento más amplia, lo que puede hacer que sea menos probable que se produzca una fuga térmica a través del sobrecalentamiento de la celda. Típicamente también se reduce el calor generado a través de fallas en el calentamiento externo.

Sin embargo, esto no cuenta toda la historia. El término batería de estado sólido en realidad se refiere a una serie de tecnologías de batería. En algunos casos, la batería seguirá utilizando un componente líquido para el intercambio de iones (estado semisólido), lo que significa que todavía hay presente un componente volátil. Algunos electrolitos poliméricos de estado sólido no serán completamente inflamables y cualquier electrolito puede derretirse si el sistema se calienta lo suficiente.

En 2022, el operador de transporte público de París retiró temporalmente 149 autobuses eléctricos después de dos incendios de autobuses separados. Se indicó que las celdas utilizadas aquí usan baterías con un cátodo LFP, un ánodo de metal Li y un electrolito de polímero de estado sólido. El proveedor describe sus baterías como "completamente sólidas, sin componentes líquidos, sin níquel ni cobalto".

Otro ejemplo proviene de un estudio de investigación basado en simulación de Sandia National Laboratories en 2022 (Hewson et. al., Joule, Vol.6, Número 4, 742-755) que comparó la seguridad de una batería de estado sólido, una -batería de estado con electrolito líquido agregado en el cátodo y una batería convencional de iones de litio de base líquida. El estudio encontró que para fallas en el calentamiento externo, una batería de estado sólido con una pequeña cantidad de electrolito líquido genera menos calor que una batería de iones de litio típica, pero más que una batería de estado sólido. Para fallas de cortocircuito, el calor liberado dependía solo de la capacidad de la celda. Dado que las baterías de estado sólido pueden tener una mayor densidad de energía, se podría generar más calor. Las temperaturas típicas de fuga térmica de las que se habla para las baterías de iones de litio regulares es de alrededor de 1000-1200oC; en algunos escenarios de esta investigación, el aumento de temperatura de las baterías de estado sólido llegó a casi 1800oC.

El desarrollo de baterías de estado sólido aún está en progreso, pero la conclusión es que las baterías de estado sólido pueden ser más seguras en la mayoría de los casos. Aún así, ningún sistema de batería será 100% seguro. Por lo tanto, los materiales de control térmico y protección contra incendios siempre serán necesarios para proporcionar esa capa final para retrasar la propagación del fuego fuera del paquete.

Los tipos de material de protección contra incendios utilizados para las baterías de estado sólido serán en gran medida similares a los utilizados para las baterías de iones de litio tradicionales, el factor de forma de las celdas (cilíndricas, prismáticas, de bolsa) y el diseño general del paquete tendrán una mayor impacto en la elección del material. Hoy en día, los materiales comúnmente utilizados para la protección pasiva contra incendios son las láminas de mica, las mantas cerámicas, las espumas encapsulantes y los recubrimientos ignífugos, entre otros. Los aerogeles están ganando terreno en el mercado y las opciones como los recubrimientos intumescentes y los materiales de cambio de fase están recibiendo un mayor interés.

Muchos de estos materiales tendrían dificultades para soportar temperaturas superiores a 1500oC. Aún así, el objetivo final no es necesariamente detener por completo la propagación, sino retrasarla tanto como sea posible. Además del rendimiento a alta temperatura, estos materiales tienen que lidiar cada vez más con otras funciones, como la conformidad con las celdas, el rendimiento de compresión y el costo. El mercado de vehículos eléctricos en rápido crecimiento, con un mayor enfoque en la seguridad contra incendios, presentará una variedad de oportunidades para los materiales de protección contra incendios y no serán eliminadas por tecnologías de baterías alternativas como las de estado sólido.

Este informe fue escrito por el Dr. James Edmondson, analista principal de tecnología de IDTechEx.