El desbordamiento térmico 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 sufrido incendios de baterías y cientos de miles han sido retirados del mercado. Aunque estos sucesos son poco frecuentes, pueden ser muy graves, y es importante proporcionar la máxima seguridad a las personas que se encuentran en estos vehículos y a su alrededor. Una pregunta habitual es si la próxima tecnología de baterías de estado sólido será más segura y si eliminará la necesidad de materiales de gestión térmica y protección contra incendios.
El informe de IDTechEx “Baterías de estado sólido y polímero 2023-2033: tecnología, pronósticos, actores” analiza las tecnologías, los actores, la seguridad y la adopción de las baterías de estado sólido. Por su parte, el informe “Materiales de protección contra incendios para baterías de vehículos eléctricos 2023-2033” analiza los materiales utilizados para evitar o retrasar la propagación del desbordamiento térmico en las baterías de los vehículos eléctricos.
¿Son más seguras las pilas de estado sólido?
A primera vista, las baterías de estado sólido presentan varias ventajas de seguridad. Eliminan el electrolito líquido inflamable y pueden sustituirlo por un electrolito de estado sólido no inflamable. También suelen tener una ventana de temperatura de funcionamiento más amplia, lo que hace potencialmente menos probable que se produzca un desbocamiento térmico por sobrecalentamiento de la célula. También suele reducirse el calor generado por un fallo de calentamiento externo.
Sin embargo, esto no lo dice todo. El término batería de estado sólido se refiere en realidad a una serie de tecnologías de baterías. En algunos casos, la batería sigue utilizando un componente líquido para el intercambio de iones (semisólida), lo que significa que sigue habiendo un componente volátil. Algunos electrolitos poliméricos de estado sólido no son completamente inflamables, y cualquier electrolito puede fundirse si el sistema se calienta lo suficiente.
En 2022, el operador de transporte público de París retiró temporalmente 149 autobuses eléctricos tras dos incendios distintos. Se afirma que las celdas utilizadas en este caso utilizan baterías con cátodo de LFP, ánodo de Li metal y electrolito de polímero de estado sólido. El proveedor describe sus baterías como “completamente sólidas, sin componentes líquidos, sin níquel y sin cobalto”.
Imagen de archivo Rovena Rosa/Agencia Brasil
Otro ejemplo procede de un estudio de investigación basado en simulaciones realizado por los Laboratorios Nacionales en 2022 (Hewson et. al., Joule, Vol.6, Issue 4, 742-755) en el que se comparaba la seguridad de una batería totalmente de estado sólido, una batería de estado sólido con electrolito líquido añadido en el cátodo y una batería convencional de iones de litio de base líquida. El estudio descubrió que, en caso de fallo por calentamiento externo, una batería de estado sólido con una pequeña cantidad de electrolito líquido genera menos calor que una batería típica de iones de litio, pero más que una batería totalmente de estado sólido. En caso de cortocircuito, el calor liberado sólo dependía de la capacidad de la celda. Dado que las baterías de estado sólido pueden tener una mayor densidad energética, podría generarse más calor. Las temperaturas típicas de desbocamiento térmico de las que se habla para las baterías de iones de litio normales se sitúan en torno a 1000-1200° C; en algunos escenarios de esta investigación, el aumento de temperatura de las baterías de estado sólido alcanzó casi 1800° C.
El desarrollo de las baterías de estado sólido aún está en curso, pero la conclusión es que las baterías de estado sólido pueden ser más seguras en la mayoría de los casos. Aun así, ningún sistema de baterías será seguro al 100 por ciento. Por lo tanto, los materiales de gestión térmica y protección contra incendios siempre serán necesarios para proporcionar esa capa final que retrase la propagación del fuego fuera de la batería.
Soluciones de materiales de protección contra incendios
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, en bolsa) y el diseño general del pack tendrán un mayor impacto en la elección del material. En la actualidad, los materiales más utilizados para la protección pasiva contra incendios son las láminas de mica, las mantas cerámicas, las espumas encapsulantes y los revestimientos ignífugos, entre otros. Los aerogeles están ganando terreno en el mercado y opciones como los revestimientos intumescentes y los materiales de cambio de fase están recibiendo un interés creciente.
Muchos de estos materiales tendrían dificultades para soportar temperaturas superiores a 1500° C. Aun así, el objetivo final no es necesariamente detener por completo la propagación, sino retrasarla el mayor tiempo posible. Además del rendimiento a altas temperaturas, estos materiales tienen que lidiar cada vez más con otras funciones, como la conformabilidad con las células, el rendimiento de compresión y el costo. El mercado de los vehículos eléctricos, en rápido crecimiento y cada vez más centrado en la seguridad contra incendios, presentará diversas oportunidades para los materiales de protección contra incendios, que no serán eliminadas por tecnologías de baterías alternativas como las de estado sólido.
El informe de IDTechEx “Baterías de estado sólido y polímero 2023-2033: tecnología, pronósticos, actores“, ofrece benchmarking y análisis tecnológico, estimación y previsión del mercado, seguimiento y evaluación de la actividad de los jugadores, y establecimiento y seguridad de la cadena de suministro. Su informe “Materiales de protección contra incendios para baterías de vehículos eléctricos 2023-2033” ofrece una evaluación comparativa de materiales, adopción de actores, precios y previsiones para varias categorías de materiales de protección contra incendios.
Para más información sobre estos informes aquí.
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