Revaluando la seguridad y los riesgos asociados de las baterías de litio – ¿Son los electrolitos de gel la solución?

La demanda de baterías de ion de litio está prevista a aumentar a un ritmo fenomenal. Se estima que entre 2022 y 2030, la demanda mundial de estas baterías aumentará hasta siete veces, alcanzando 4,7 teravatios hora. 

La demanda está impulsada por el uso extensivo de estas baterías en electrónica portátil y almacenamiento de energía, incluidos los vehículos eléctricos. Sin embargo, estas baterías no están libres de riesgos. Son vulnerables a incendios y explosiones. 

Una solución a estas vulnerabilidades implica baterías semisólidas. Reducen los riesgos al encontrar un punto intermedio entre las baterías tradicionales de ion de litio con electrolitos líquidos y baterías de estado sólido. 

Un electrolito similar a gel, usado como componente, ayuda a que estas baterías tengan mayor estabilidad y una vida útil más larga. Sin embargo, estos electrolitos en gel, debido a su prolongado tratamiento térmico a altas temperaturas, pueden sufrir una degradación notable, lo que resulta en un rendimiento disminuido y mayores costos de fabricación. El proceso de fabricación de estas baterías también enfrenta un desafío debido a la resistencia de la interfaz entre el electrolito semisólido y el electrodo. 

Recientemente, el profesor Soojin Park, Seoha Nam, candidato a doctorado, y la Dra. Hye Bin Son, investigadora del Departamento de Química de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH), han ideado formas viables de abordar estos desafíos creando una batería basada en electrolito de gel estable y comercialmente viable. 

En el siguiente segmento, profundizamos en la comprensión del mecanismo de la batería.

Electrolito de gel seguro y comercialmente viable para baterías de litio

Al abordar los desafíos de electrolitos degradados, rendimiento disminuido y costos crecientes, el equipo de investigadores aprovechó un aditivo bifuncional reticulable (CIA) y dipentaeritritol hexaacrilato (DPH) con tecnología de haz de electrones (e-beam). 

Los investigadores siguieron un camino diferente al proceso de fabricación convencional, que involucraba la preparación del electrodo, la inyección del electrolito, el ensamblaje, la activación y la desgasificación. 

En su lugar, mejoraron la doble funcionalidad del DPH introduciendo un paso adicional de irradiación con haz de electrones después del proceso de desgasificación. Mientras tanto, el CIA sirvió tanto como aditivo para facilitar una interfaz estable entre las superficies del ánodo y el cátodo durante la activación, como reticulante para formar una estructura polimérica durante el proceso de irradiación con haz de electrones.

La solución resultante pudo reducir notablemente la generación de gas a partir de reacciones laterales de la batería durante los procesos iniciales de carga y descarga. La disminución fue de hasta 25,5 veces en comparación con las baterías convencionales. La solución también pudo mantener de forma estable la resistencia interfacial gracias a la fuerte compatibilidad entre los electrodos y el electrolito de gel. 

Sin embargo, los investigadores no se detuvieron en estos logros. Continuaron desarrollando una batería de alta capacidad de 1,2 amperios-hora, que se probó a una temperatura de 55 grados Celsius, una temperatura a la que los electrolitos comienzan a descomponerse. A 55 grados Celsius y superiores, las baterías convencionales que utilizan electrolitos experimentan una reducción significativa de capacidad y hinchazón después de 50 ciclos.

Por otro lado, la nueva batería pudo mantener una capacidad de 1 amperio-hora incluso después de 200 ciclos sin generar gas y demostró estándares mejorados de seguridad y durabilidad. 

Al detallar la utilidad del descubrimiento científico, el profesor Soojin Park de POSTECH dijo:

“Este logro en estabilidad y viabilidad comercial está listo para ser un avance revolucionario en la industria de vehículos eléctricos. Esperamos que este progreso beneficie enormemente no solo a los vehículos eléctricos, sino también a una amplia gama de otras aplicaciones que dependen de baterías de ion de litio.”

En los siguientes segmentos, examinaremos brevemente algunas de esas aplicaciones de las baterías de ion de litio. 

Aplicación de baterías de litio seguras

Aunque recientemente han ganado atención por su uso en vehículos eléctricos, las baterías de ion de litio también se utilizan de forma segura en una amplia gama de otras aplicaciones. Varias de estas aplicaciones son partes integrales de nuestra vida diaria, exigiendo viabilidad comercial y resistencia. Por ejemplo, las baterías de litio recargables son comunes en marcapasos y deben servir al dispositivo durante una vida útil típica de siete a ocho años manteniendo su peso por debajo de 30 gramos.

Las cámaras digitales, particularmente las DSLR, dependen de baterías de ion de litio por su tamaño compacto y alta capacidad de energía, lo que brinda un rendimiento superior en comparación con otros tipos de baterías. De manera similar, los asistentes digitales, teléfonos inteligentes y portátiles dependen de estas baterías seguras y fiables por su durabilidad, alta densidad energética, construcción ligera, carga fácil y bajo costo de mantenimiento.

Además, pequeñas baterías de ion de litio con una capacidad de 3 voltios se utilizan en dispositivos tan pequeños como relojes, los cuales pueden durar hasta una década. Estas baterías también alimentan soluciones de movilidad como scooters personales, carritos de golf y carritos, gracias a su capacidad de almacenar y liberar carga eléctrica de manera eficiente. Esta capacidad las hace ideales para aplicaciones como sistemas UPS, respaldos de energía de emergencia y almacenamiento de energía solar. Además, se utilizan cada vez más en campos emergentes como vehículos marinos y de ocio, así como dispositivos médicos portátiles diseñados para ser llevados.

La creciente adopción de baterías de litio ha impulsado un aumento en su producción y fabricación. Sin embargo, es crucial que estos procesos sean tan seguros y viables como las propias baterías. Esta preocupación se subraya con el reciente trágico incendio en una instalación de baterías de litio en Corea del Sur, que resultó en la muerte de 22 trabajadores.

Haga clic aquí para aprender cómo los fabricantes de baterías están luchando por satisfacer la creciente demanda. 

Incendio en una instalación de baterías de litio en Corea del Sur

El 24 de junio, un incendio devastador se desató en una fábrica de baterías de litio en Corea del Sur, causado por múltiples explosiones de baterías, resultando en la muerte de 22 trabajadores. La instalación, operada por el principal fabricante de baterías Aricell, se encuentra en Hwaseong, una zona industrial al suroeste de Seúl.

Poco después de que comenzara el incendio, gases tóxicos se propagaron rápidamente por toda la fábrica, que en ese momento almacenaba hasta 35.000 baterías. Explicando la posible razón por la que el incendio se volvió tan fatal, Kim Jae-ho, profesor de Prevención de Incendios y Desastres en la Universidad de Daejeon, dijo lo siguiente:

“Los materiales de las baterías, como el níquel, son fácilmente inflamables. Por lo tanto, a menudo, no hay suficiente tiempo para responder, en comparación con un incendio causado por otros materiales.”

Los expertos también señalaron que el número de víctimas fue mayor debido a los materiales tóxicos utilizados y no tanto por las quemaduras. 

¿Son prevenibles tales incidentes?

Siempre se debe tener cuidado al manipular baterías de ion de litio, ya que tienen la mayor densidad de energía volumétrica entre los dispositivos de almacenamiento de energía. La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) ha publicado instrucciones detalladas sobre la prevención de lesiones por incendio y explosión de dispositivos pequeños y portátiles alimentados por baterías de litio.

El Instituto Tecnológico de Massachusetts, una de las instituciones educativas de tecnología más respetadas del mundo, también ha publicado Guía de Seguridad de Baterías de Ion de Litio. Según sus instrucciones, cualquier área de trabajo que maneje estas baterías debe tener superficies hechas de materiales no conductores y resistentes al fuego.

Si se debe trabajar sobre una superficie conductora, se recomienda cubrirla con un material aislante. Además, el área debe estar libre de materiales inflamables o combustibles, como mesas de madera, alfombras, gasolina o objetos punzantes que puedan perforar la cubierta aislante de las celdas. Las mejores temperaturas de trabajo están entre 15 y 35 grados Celsius, y la temperatura ambiente nunca debe superar los 60 grados.

El almacenamiento adecuado desempeña un papel crítico en la reducción del riesgo de incendio y explosión. El informe vincula muchos incendios de baterías de ion de litio a áreas de almacenamiento inadecuadas. Para mantener los más altos estándares de seguridad, el área de almacenamiento debe considerar factores como el diseño de la celda, la química, la temperatura, el estado de carga y la duración del período de almacenamiento.

Las unidades de fabricación de baterías deben adoptar medidas de seguridad estrictas, ya que los incendios en instalaciones de baterías de litio pueden ser catastróficos no solo por el incendio en sí, sino también por la toxicidad resultante.

Mientras la seguridad en la fabricación puede mejorarse continuamente, las baterías también deben ser inherentemente seguras. Algunas empresas han estado invirtiendo constantemente en la producción de baterías de litio seguras. En los próximos segmentos, examinaremos dichas empresas.

#1. Baterías de ion de litio de Panasonic Energy

Panasonic está dedicada a garantizar la seguridad de las baterías a medida que aumentan sus capacidades y se centra en desarrollar materiales avanzados para baterías, perfeccionar procesos y crear tecnologías de control para garantizar un uso seguro y fiable de las baterías.

Sus baterías tienen un alto nivel de capacidad de resistencia a la temperatura, ya que el riesgo de explosión aumenta cuando las baterías se calientan por encima de 100 grados Celsius. Sin embargo, Panasonic reconoce que apilar o mezclar baterías puede causar cortocircuitos externos, generación de calor, incendio o explosión.

La empresa sigue directrices estrictas de manipulación y almacenamiento, no permitiendo que los terminales de las baterías entren en contacto entre sí o con otros metales durante el embalaje. Utiliza material de embalaje resistente para proteger los productos de vibraciones, impactos, caídas y apilamiento durante el transporte. Panasonic también recomienda estrictamente almacenar las baterías a temperatura ambiente y cargarlas a aproximadamente un 30-50% de su capacidad.

Produce una gama de productos de baterías de litio, incluidas baterías cilíndricas, baterías prismáticas, baterías tipo pouch y baterías tipo pin.

Según su último informe integrado disponible para el grupo, la empresa registró unos ingresos de 8.378,9 mil millones de yenes en 2023. 

#2. LG Energy Solutions

LG Energy Solutions es otra marca global líder que opera bajo directrices bien definidas para la fabricación de sus paquetes de baterías de ion de litio. Prohíbe el uso de celdas de baterías de ion de litio que hayan sufrido cualquier caída para la fabricación de paquetes.

Para prevenir cortocircuitos eléctricos, las celdas de baterías de ion de litio deben mantenerse alejadas de objetos metálicos y manipularse en entornos que eviten daños o contaminaciones.

Además, la soldadura no debe realizarse directamente sobre la superficie de las celdas de baterías de ion de litio, y las celdas no deben exponerse a calor o presión intensos durante el proceso de soldadura.

En 2023, LG registró un volumen de ventas de 84.228 mil millones de KRW, lo que representó un aumento incremental respecto a los 83.467 mil millones de KRW de 2022, pero un aumento significativo respecto a los 73.908 mil millones de KRW de 2021.

Preocupaciones de seguridad de las baterías de ion de litio: una revisión exhaustiva

Investigación que investigó extensamente las preocupaciones de seguridad de las baterías de ion de litio señaló varios problemas potenciales que podrían surgir como una amenaza o representar un riesgo. 

Los desbordamientos térmicos, que están entre los problemas de seguridad más dañinos en las baterías de ion de litio, surgen de reacciones laterales. Estas reacciones pueden ocurrir dentro del electrolito, entre el cátodo y el ánodo, y en las interfaces de las superficies de los electrodos y el depósito de litio. Tales desbordamientos a menudo son desencadenados por abusos mecánicos, térmicos o eléctricos.

El abuso mecánico puede provocar problemas de seguridad en las baterías de ion de litio, al igual que el abuso eléctrico puede comprometer su integridad. De manera similar, el abuso térmico, donde una batería sufre un choque térmico o alcanza temperaturas excesivamente altas, también representa riesgos significativos.

La investigación también describe estrategias para mejorar la seguridad, tanto interna como externamente. Un elemento crucial para mejorar la seguridad de las baterías de ion de litio (LIB) es un sistema de refrigeración integrado bien diseñado. Además, mantener el equilibrio adecuado entre las celdas es esencial; esto implica medir y comparar los voltajes, capacidades o estados de carga (SOCs) de todas las celdas después de cada ciclo de carga.

Los fabricantes pueden seguir varios marcos para garantizar la seguridad de la producción. De hecho, muchos países ya han publicado dichos estándares, incluidos el estándar chino, el estándar de la Society of Automotive Engineers (SAE), el estándar de la International Electrotechnical Commission (IEC), el estándar de las Naciones Unidas (UN), el Japanese Industrial Standard (JIS) y más.

En general, vivimos en una época dominada por los dispositivos electrónicos, lo que lleva a una dependencia cada vez mayor de las baterías de litio. A medida que buscamos mayor eficiencia y velocidad en nuestras tecnologías, debemos asegurarnos de que la seguridad siga siendo una prioridad. El reciente accidente en Corea del Sur sirve como un recordatorio contundente de la importancia de este equilibrio, subrayando la necesidad de prevenir tales incidentes desafortunados en el futuro.

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