La BAM alemana afirma que las baterías de iones de sodio requieren nuevos mecanismos de seguridad

Según el BAM, las investigaciones han demostrado que los mecanismos de seguridad probados no son automáticamente igual de eficaces para todas las tecnologías de baterías, sino que deben adaptarse específicamente a la composición química y al diseño de las celdas de las nuevas baterías. Debido a sus materiales ahorradores de recursos y a sus posibles ventajas en cuanto a costes, las baterías de iones de sodio se consideran una alternativa prometedora a los sistemas de iones de litio. Además, la química de las pilas de iones de sodio también se considera bastante segura.

Por este motivo, el Instituto Federal de Investigación y Ensayo de Materiales ha comparado la seguridad de tres tipos diferentes de baterías. Además de las células de iones de sodio, las pruebas también examinaron las baterías de iones de litio con cátodos de níquel-manganeso-cobalto y la química de células de fosfato de hierro-litio. Las químicas de celdas NMC se utilizan actualmente sobre todo en coches eléctricos y dispositivos portátiles (como los smartphones), mientras que la química de celdas LFP suele emplearse en sistemas de almacenamiento estacionarios, pero también cada vez más en coches eléctricos. En concreto, se examinaron las células NFM (células de iones de sodio con níquel, hierro y manganeso), las células NMC532 y las células LFP, todas ellas cilíndricas en formato 18650.

En las investigaciones, se simularon daños mecánicos en las celdas de las baterías mediante una prueba de penetración de clavos: se perfora la celda con un alfiler metálico para "desencadenar un evento de daño crítico", como dice la BAM. Esto suele desencadenar un cortocircuito interno en la célula que, junto con el daño mecánico, puede provocar el desbocamiento térmico de la célula. En este caso, el BAM quería investigar cómo se comporta la célula de iones de sodio en comparación con los tipos de célula más conocidos y si los mecanismos de seguridad incorporados son eficaces. Utilizando imágenes de rayos X de alta velocidad en una cámara de pruebas especialmente desarrollada por el Instituto Fraunhofer de Dinámica de Alta Velocidad (EMI), los investigadores de la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón de Grenoble pudieron visualizar por primera vez en tiempo real los procesos internos de las pilas de iones de sodio durante un evento crítico.

Las pruebas revelaron diferencias significativas en el comportamiento. Las pruebas con baterías de iones de litio, en cambio, fueron como se esperaba. "La batería de fosfato de hierro y litio demostró ser especialmente estable. La batería de iones de litio con cátodo de níquel-manganeso-cobalto reaccionó de forma controlada: sus mecanismos de seguridad funcionaron según lo previsto", informó BAM. El comportamiento de la pila de iones de sodio, en cambio, se describe como "sorprendente" porque dio lugar a "una reacción casi explosiva". Sin embargo, la clasificación que siguió inmediatamente después, que los expertos pudieron hacer gracias a las complejas imágenes de rayos X de alta velocidad, es importante: la causa de este proceso no fue la química de la célula en sí, sino la estructura de la célula probada - concretamente, "un fallo del sistema de ventilación de la célula".

En realidad, este sistema está diseñado para garantizar que, en caso de reacción térmica en el interior de la célula, el exceso de presión provocado por los gases producidos se reduzca mediante un venteo dirigido. "Sin embargo, debido al rápido aumento de la presión, el sistema de ventilación quedó bloqueado por otros componentes del equipo de seguridad, lo que provocó la brusca y violenta reacción", según el Instituto Federal.

"Nuestras investigaciones demuestran que los mecanismos de seguridad no pueden transferirse sin más de una tecnología de baterías a otra", explicó Nils Böttcher, director del centro de pruebas de baterías de BAM. "Especialmente con los nuevos tipos de baterías, como las de iones de sodio, los componentes mecánicos, como los sistemas de ventilación, deben adaptarse y probarse específicamente. Nuestros hallazgos no cuestionan la seguridad fundamental de la tecnología de iones de sodio, pero sí subrayan la necesidad de considerar conjuntamente la composición química y el diseño de seguridad." Por ello, BAM participa activamente en el desarrollo de estándares y normas en el campo de la seguridad de las pilas de iones de sodio.

Los resultados también se publicaron en el número 36 de la revista Journal of Power Sources Advances. Allí también se pueden encontrar grabaciones de vídeo a cámara lenta de las pruebas, que muestran exactamente cómo se comportan los componentes del interior de la célula de iones de sodio antes de que se produzca el daño explosivo.

bam.de, sciencedirect.com (ambos en alemán)

Este artículo fue publicado por primera vez por Sebastian Schaal para la edición alemana de electrive.