Detectando el riesgo de fuego o explosión en baterías

Recientemente, ha habido una serie de incidentes por incendio de la batería de un vehículo eléctrico (VE). A diferencia de las baterías utilizadas en pequeños dispositivos móviles, como los teléfonos inteligentes, la batería de un VE está compuesta por cientos de celdas, y cualquier inestabilidad puede causar daños a la propiedad e incluso personales. En medio de varios esfuerzos por determinar la causa de los incendios en las baterías, unos investigadores coreanos han desarrollado un nuevo método de análisis para evaluar la estabilidad térmica de las baterías de los VE.

El Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea (KIST) anunció que un equipo de investigación dirigido por el Dr. Wonyoung Chang del Centro de Investigación de Almacenamiento de Energía del KIST y el Dr. Seung Min Kim del Centro de Investigación de Materiales Compuestos de Carbono de la sucursal de Jeonbuk construyó una plataforma de análisis en tiempo real para evaluar la estabilidad térmica del material catódico de una batería utilizando un microscopio electrónico de transmisión, a través del cual identifican el mecanismo de degradación térmica de acuerdo con los cambios en la composición química del material catódico de níquel para VEs.

El material catódico de una batería de VE es uno de los factores clave que determinan la capacidad de la batería y, por lo tanto, la autonomía de conducción. El cátodo se fabrica mezclando varios metales como el níquel, el cobalto y el aluminio o el níquel, el manganeso y el cobalto según la proporción de mezcla designada, e investigadores de empresas y círculos académicos se esfuerzan por encontrar una proporción de composición adecuada para aumentar el alcance de los VE.

Imagen gráfica que representa el papel de un elemento de aluminio que puede reducir el riesgo de incendios de baterías en NCA (níquel, cobalto y aluminio), que se utiliza ampliamente como material anódico para los vehículos eléctricos. (Foto: Korea Institue of Science and Technology (KIST))

El material del cátodo contiene níquel, y hay una correlación positiva entre el contenido de níquel y la capacidad. Además, como el níquel es relativamente más barato que el cobalto, añadir más níquel reduce eficazmente el costo unitario de una batería de VE. Sin embargo, una debilidad fatal del níquel es que reduce la estabilidad de la batería ya que reacciona fácilmente al entorno externo. En el caso del material catódico utilizado para los VE de tercera generación, que están actualmente en desarrollo, el contenido de níquel se ha aumentado al 80% o más, y el consiguiente deterioro de la estabilidad debe mejorarse para garantizar la seguridad.

Los incendios en baterías se inician principalmente por una violenta reacción exotérmica entre el material catódico cargado de óxido y los electrolitos líquidos inflamables. Así pues, el equipo de investigación del KIST se centró en la superficie del cátodo en contacto con los electrolitos y aplicó una variedad de métodos de microscopía electrónica de transmisión para observar y analizar de cerca la estructura cristalina del cátodo y los cambios químicos en los componentes resultantes de un aumento de la temperatura. Como resultado, fue posible identificar la causa de la reducción de la estabilidad térmica de la batería basándose en la composición química del material del cátodo NCA (níquel, cobalto, aluminio) y el papel de los elementos constituyentes para garantizar la seguridad de la batería.

El equipo de investigación del KIST investigó que un aumento en el níquel comparado con el contenido de aluminio en el material del cátodo NCA mejora la capacidad de la batería, pero reduce significativamente la estabilidad térmica en el límite superior de carga (67% de reacción de los iones de litio totales). Un análisis demostró que había una falta de aluminio que no participaba en la reacción redox, y esto lleva a la formación de una nueva fase (fase O1) que puede reducir la estabilidad térmica durante el proceso de carga. Se descubrió que la superficie de la nueva fase inestable era la causa última de la reducción de la estabilidad térmica. (Fuente: NCYT Amazings)