Desde los vehículos de carretera actuales hasta los futuros aviones electrificados, la seguridad y confiabilidad de los sistemas de almacenamiento de energía son fundamentales en todas las aplicaciones de baterías.Antes de ingresar al mercado, todos los sistemas de baterías se someten a revisiones y certificaciones exhaustivas para confirmar que funcionan de manera segura tanto en condiciones rutinarias como extremas, incluidas temperaturas fluctuantes, cargas y descargas repetidas y una gama completa de ciclos de conducción.

"Para garantizar la bateríaseguridad, los fabricantes deben diseñar sistemas de baterías que mitiguen los riesgos en los peores escenarios", dijo Donal Finegan del NREL, científico principal del grupo de Almacenamiento de energía electroquímica del NREL. Fallas catastróficas paracélulas individualesson raros, pero los paquetes de baterías que contienen miles de celdas aumentan el riesgo general.

Las temperaturas extremas debido a la falla de una sola celda pueden provocar una fuga térmica, provocando incendios peligrosos y tóxicos que se extienden por todo el paquete de baterías.

La seguridad térmica está en el centro del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL)investigación de baterías.Los científicos del laboratorio proporcionan una caracterización térmica exhaustiva de los sistemas de baterías, mirando más allá del proceso de certificación de aprobación/rechazo estándar de la industria para comprender qué ocurre exactamente dentro de las estructuras de las baterías antes, durante y después de la falla.

A medida que la demanda de baterías continúa creciendo, los expertos del NREL se dedican a desarrollar nuevos enfoques para identificar los peligros potenciales de las baterías y acelerar la investigación sobre la seguridad de las baterías a nivel nacional.

Un estudio publicadoenComunicaciones de la naturalezaofrece una nueva técnica para predecir la variabilidad del comportamiento descontrolado térmico, basándose en investigaciones anteriores del NREL que encontraron correlaciones entre la masa expulsada de la celda y la generación de calor.

Tradicionalmente, la caracterización térmica se basa en equipos y capacidades avanzadas, como calorímetros térmicos fraccionados, para proporcionar las mediciones térmicas precisas necesarias para determinar la producción de calor durante una falla de la batería y diseñar de manera efectiva paquetes de baterías seguros y livianos.

Sin embargo, este equipo no está ampliamente disponible, lo que hace que estas evaluaciones sean costosas y requieran mucho tiempo e inhibe la rápida incorporación de nuevos tipos de celdas a los paquetes de baterías.

Un proceso más accesible para las innovaciones en las primeras etapas permitiría a los investigadores comprender los riesgos de las posibles celdas e introducir diseños de baterías optimizados más rápidamente, cumpliendo condemanda del consumidorpara una carga más rápida, mayor autonomía del vehículo y mayor vida útil.

"Este estudio propone una solución simplificada", dijo Paul Gasper del NREL, coautor del artículo de la revista y científico principal del grupo de Almacenamiento de Energía Electroquímica del NREL."Aunque existe un amplio espectro de formas en que las baterías pueden fallar, nuestros modelos muestran la correlación entre ciertas características de falla".

La investigación más reciente del NREL demostró con éxito cómo las mediciones simplificadas y de bajo costo, como la masa expulsada durante la fuga térmica, podrían usarse para predecir con precisión comportamientos térmicos complejos para nuevos tipos de células que normalmente requieren costosas mediciones de calorimetría.

"Las empresas de cualquier tamaño pueden utilizar este enfoque informado", afirmó Finegan."Aunque todavía recomendamos usar un calorímetro para las pruebas de seguridad oficiales, este enfoque puede ayudar a reducir las opciones de batería más seguras para sus especificaciones antes de avanzar a esa etapa de investigación".

Para diseñar este proceso, los investigadores aprovecharon las mediciones de calorimetría de celdas comerciales de iones de litio disponibles en el banco de datos de fallas de baterías de acceso abierto creado por NREL y la NASA.

Como la base de datos pública más grande que contiene información sobre celdas que sufren descontrol térmico, el banco de datos de fallas de baterías proporcionó los datos sólidos y de alta calidad necesarios para entrenar un modelo de aprendizaje automático para identificar qué tipos de baterías exhiben características de falla predecibles.

Este nuevo enfoque permitirá a los innovadores en almacenamiento de energía estimar con precisión y rapidez los riesgos de seguridad de los nuevos diseños de baterías con un gasto y esfuerzo mínimos.

Métodos más rápidos y sencillos para evaluar estas características térmicas revitalizarán la comunidad de investigación de baterías, uniendo a fabricantes y diseñadores de sistemas en nuestro objetivo común de garantizar la seguridad de los paquetes de baterías de próxima generación para aplicaciones como el transporte electrificado y el almacenamiento a escala de red.