Baterías de Níquel en EVs: Riesgo Oculto en Espacios Confinados
Un estudio científico reciente está emitiendo una alerta urgente sobre los peligros ocultos de las baterías de litio-ion con alto contenido de níquel, particularmente cuando fallan dentro de los entornos cerrados y densamente empaquetados de los modernos paquetes de baterías. La investigación, realizada por un equipo de la Universidad de Policía de China, revela que mientras los espacios confinados pueden suprimir las llamas visibles durante la fuga térmica, no detienen la reacción en cadena catastrófica que se propaga de una celda a otra. Este hallazgo desafía las suposiciones predominantes en la ingeniería de seguridad de vehículos eléctricos y tiene profundas implicaciones para el diseño de vehículos, las estrategias de supresión de incendios y las investigaciones forenses posteriores a accidentes.
El estudio se centra en las baterías NCM811, denominadas así porque su cátodo está compuesto por 80% de níquel, 10% de cobalto y 10% de manganeso. Estas celdas de alta densidad energética se han convertido en la elección preferida de los fabricantes de automóviles que buscan maximizar la autonomía de conducción. Pero con mayor contenido de níquel viene una mayor reactividad química y una reducción de la estabilidad térmica. La nueva investigación, publicada en Energy Storage Science and Technology, demuestra cuán volátiles pueden volverse estas baterías bajo condiciones de falla del mundo real.
En experimentos controlados, los investigadores colocaron un módulo de cuatro celdas de baterías de polímero NCM811 de 51 Ah dentro de una cámara de acero sellada diseñada para imitar la geometría restringida de un compartimiento de batería de vehículo eléctrico. El módulo se cargó completamente al 100% de estado de carga (SOC), una condición común durante viajes largos o carga nocturna, y luego se sometió a calentamiento externo en un extremo para desencadenar la fuga térmica en la primera celda.
Lo que sucedió a continuación fue dramático y revelador. En cuestión de segundos después de que fallara la celda inicial, expulsó un chorro de partículas al rojo vivo y gases inflamables a través de su válvula de alivio de presión. Surgió una llama breve pero intensa, encendiendo los gases acumulados dentro de la cámara y causando una bola de fuego momentánea, un fenómeno conocido como flashover. Sin embargo, debido al suministro limitado de oxígeno en el espacio confinado, la llama se extinguió en dos segundos. A pesar de la ausencia de fuego sostenido, las tres celdas restantes aún experimentaron una fuga térmica completa, una tras otra, durante los siguientes 237 segundos.
Criticalmente, ninguna de las celdas posteriores produjo llamas visibles. Sin embargo, cada una expulsó cantidades masivas de partículas incandescentes, ascuas rojas incandescentes que alcanzaron temperaturas entre 820°C y 979°C. Estas partículas, compuestas de materiales fragmentados del cátodo y ánodo, continuaron saliendo de las celdas incluso después de que la llama se extinguiera, llenando la cámara con denso humo negro y planteando serios riesgos de ignición secundaria si se reintrodujera oxígeno, como durante operaciones de rescate o ventilación posterior a un accidente.
«Esto cambia completamente nuestra forma de pensar sobre los incendios de baterías de vehículos eléctricos», declaró el investigador principal Dengchao Han. «La ausencia de llama abierta no significa que el peligro haya pasado. De hecho, la propagación de la fuga térmica continúa implacable, y el ambiente permanece extremadamente peligroso debido a eyecciones de alta temperatura y gases tóxicos».
El estudio documenta meticulosamente la línea de tiempo del fallo. La propagación interna de la fuga térmica dentro de una sola celda, definida como el tiempo que tarda el calor en viajar desde la superficie frontal (calentada) hasta la parte posterior, osciló entre apenas 5 y 7 segundos. Entre celdas adyacentes, el retraso de propagación varió de 52 a 106 segundos, con el intervalo más largo ocurriendo entre la tercera y cuarta celda, probablemente debido al precalentamiento reducido y a la absorción adicional de calor por los accesorios de montaje.
Quizás lo más preocupante es la enorme escala de pérdida de material durante el fallo. Cada celda perdió entre 390 y 462 gramos de masa, representando entre el 45,6% y el 52,7% de su peso total. Esta masa no solo se vaporizó, sino que fue expulsada violentamente como óxidos metálicos fundidos, fragmentos de carbono y compuestos de electrolitos descompuestos. Una eyección tan masiva no solo compromete la integridad estructural, sino que también esparce materiales reactivos por todo el compartimiento de la batería, pudiendo encender componentes cercanos o complicando los esfuerzos de extinción de incendios.
La deformación física de las celdas también cuenta una historia forense. Después de la prueba, cada celda exhibió una protuberancia distinta en su cara frontal y una abolladura correspondiente en su parte posterior, apuntando directamente hacia la celda desencadenada inicialmente. Este patrón de deformación direccional, señalan los investigadores, podría servir como una pista crucial para los investigadores de accidentes que intentan determinar el origen de un evento de fuga térmica en colisiones del mundo real o incendios en garajes.
Más allá de las observaciones macroscópicas, el equipo realizó análisis microscópicos y elementales detallados de los materiales del cátodo antes y después de la fuga térmica. Utilizando microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopía de rayos X por dispersión de energía (EDS), encontraron que las partículas de NCM811, una vez lisas y uniformemente distribuidas, habían sufrido una aglomeración severa y picaduras en la superficie después del fallo. Más significativamente, el contenido de oxígeno en el cátodo descendió del 39,96% al 32,15%, evidencia directa de la liberación de oxígeno durante la descomposición térmica.
Esta liberación de oxígeno es un factor clave en la severidad de la fuga térmica. A diferencia de las baterías de fosfato de hierro y litio (LFP), que permanecen relativamente estables, los cátodos ricos en níquel como el NCM811 se descomponen exotérmicamente a altas temperaturas, liberando oxígeno que luego reacciona violentamente con el electrolito orgánico y el ánodo de grafito litinado. Esta reacción autosostenida no requiere oxígeno externo, lo que significa que puede continuar furiosamente incluso en entornos sellados y pobres en oxígeno.
«El oxígeno proviene del propio cátodo», explicó el coautor Huaibin Wang, profesor asociado especializado en dinámica de incendios de baterías. «Por eso el confinamiento no detiene la propagación. El fuego no se ‘quema’ en el sentido tradicional; es una serie de reacciones redox internas alimentadas por la propia química de la batería».
Esta percepción tiene implicaciones importantes para el diseño de paquetes de baterías. Muchas arquitecturas actuales de vehículos eléctricos dependen de barreras contra incendios pasivas o recubrimientos ignífugos que asumen que el oxígeno externo es necesario para la combustión. Pero si el peligro principal es la propagación térmica libre de oxígeno impulsada por la química interna, tales medidas pueden ser insuficientes. En cambio, el estudio sugiere que la mitigación efectiva debe centrarse en la disipación rápida de calor, la separación física de las celdas y la detección temprana de emisiones de gases, particularmente vapores de electrolitos, que el equipo observó tan pronto como tres segundos antes de la eyección violenta.
Además, los hallazgos subrayan las limitaciones de las pruebas de incendio en espacios abiertos, que han dominado la investigación de seguridad de baterías hasta la fecha. En entornos al aire libre, las llamas son grandes y sostenidas, lo que las hace fáciles de observar y medir. Pero dentro de la bandeja de batería de un vehículo, a menudo encerrada por cajas metálicas, placas de refrigeración y refuerzos estructurales, la dinámica es completamente diferente. Las llamas pueden suprimirse, pero el calor, la presión y las partículas reactivas se acumulan, creando un ambiente presurizado y de alta temperatura que puede romper los recintos o reignirse al exponerse al aire.
Para los primeros respondedores, esto significa que un incendio de vehículo eléctrico que parece «apagado» aún puede albergar un peligro extremo. La cámara en el estudio permaneció llena de partículas reactivas calientes mucho después de que la llama desapareciera. Abrir el paquete de baterías sin la ventilación y enfriamiento adecuados podría introducir oxígeno y desencadenar una explosión secundaria, un escenario que ha ocurrido en incidentes del mundo real.
Desde un punto de vista regulatorio, el estudio exige estándares de seguridad actualizados que tengan en cuenta los modos de fallo en espacios confinados. Las regulaciones actuales de la ONU y FMVSS a menudo evalúan las baterías de forma aislada o en configuraciones abiertas. Los nuevos datos sugieren que los protocolos de prueba deben evolucionar para simular geometrías realistas de paquetes, incluida la ventilación limitada y el acoplamiento térmico entre celdas.
Los fabricantes de automóviles también pueden necesitar reconsiderar su búsqueda de densidades energéticas cada vez más altas. Si bien el NCM811 ofrece ventajas de autonomía, su inestabilidad térmica en entornos confinados presenta una compensación de seguridad no trivial. Algunos fabricantes han comenzado a cambiar hacia cátodos híbridos (por ejemplo, NCM622 o NCM532) o a mezclar celdas NCM con LFP para equilibrar el rendimiento y la seguridad. Esta investigación proporciona una justificación empírica para tales estrategias.
Mirando hacia el futuro, el equipo de la Universidad de Policía de China planea expandir su trabajo a otras químicas, incluidas las celdas con ánodo de silicio y prototipos de estado sólido, e investigar el papel de los sistemas de gestión de baterías (BMS) en la detección de signos tempranos de fuga térmica. También pretenden desarrollar protocolos forenses para investigadores de campo, utilizando patrones de deformación, composición de residuos y distribución de partículas para reconstruir secuencias de fallo.
Por ahora, el mensaje es claro: la presión por vehículos eléctricos de mayor autonomía no debe superar nuestra comprensión de los peligros de las baterías de alta energía. Como demuestran Dengchao Han y sus colegas, los incendios más peligrosos pueden ser aquellos que no se pueden ver.
Esta investigación fue realizada por Dengchao Han, Yuanxiang Pei, Zhaoyang Liu, Songtao Liu, Huaibin Wang, Junli Sun, Yonglu Wang y Yu Han en la Universidad de Policía de China, Langfang, Hebei, China. Fue publicada en Energy Storage Science and Technology, Vol. 13, No. 11, noviembre de 2024, pp. 4133-4142. DOI: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0447.