Nuevo algoritmo puede hacer que las baterías de iones de litio sean más seguras

2019-09-12 18:06:40

Las baterías de iones de litio son inherentemente peligrosas. Los cortocircuitos, el abuso mecánico, la sobrecarga de la batería y los defectos de diseño y fabricación pueden provocar incendios o explosiones. En 2017, la Administración Federal de Aviación informó que hubo un incendio en la batería de iones de litio cada 10 días en los aviones. Pero las baterías de iones de litio también se han convertido en los principales dispositivos de almacenamiento de energía en teléfonos celulares, dispositivos médicos, automóviles eléctricos y redes de energía renovable. Es por eso que entender cómo y por qué fallan es una cuestión de seguridad personal y nacional.


Los investigadores de la Universidad de Colorado en Denver y el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) pueden haber encontrado una manera de hacer que las baterías de iones de litio sean más seguras al detectar fallas antes de que las baterías se incendien. Usando un nuevo algoritmo en tiempo real, los investigadores podrán estimar la carga y el estado de los electrodos individuales dentro de las baterías. El algoritmo hará un seguimiento de las fallas en el nivel de los electrodos a medida que ocurren y brindará la oportunidad de tomar medidas correctivas (por ejemplo, apagar la batería) antes de que la falla se vuelva catastrófica.


El estudio fue publicado en la revista IEEE Transactions on Industrial Electronics.


"Nuestro mayor desafío es que nadie puede ver lo que sucede dentro de una batería", dijo Satadru Dey, PhD, profesor asistente de ingeniería eléctrica en la Facultad de Ingeniería, Diseño y Computación de CU Denver. “La mayoría de las investigaciones sobre algoritmos de administración de baterías en tiempo real exploraron baterías desde el punto de vista a nivel celular. Pero para saber específicamente qué está sucediendo dentro de la batería, necesitamos acercarnos más y enfocarnos en los electrodos individuales ".


Las baterías de iones de litio fallan rápidamente


Eso es porque cuando falla una batería de iones de litio, falla rápidamente. A medida que la batería se carga o descarga, los iones de litio se mueven entre los dos electrodos de la batería a través de un electrolito altamente inflamable similar a un gel. El momento de la falla, ya sea por un mal diseño o por demasiado calor, generalmente inicia una "fuga térmica": una acumulación de calor que crece en un circuito de retroalimentación positiva no controlada hasta que termina con un incendio o una explosión, a veces en cuestión de segundos El fracaso inicial.


El Sistema de administración de batería (BMS) que a menudo se encuentra en automóviles y otros sistemas más grandes utiliza algoritmos para indicar a las baterías cómo cargar o descargar, monitorear cuánta carga queda y, a veces, rastrear el estado general de la batería. Por ahora, puede hacer poco para responder a los problemas de falla de la batería interna.


“Nuestro objetivo es descubrir cómo manipular el sistema para tomar medidas correctivas en el primer momento de falla en la batería. Para lograr esto, el primer paso es detectar la falla en una etapa muy temprana ”, dijo Dey.


La seguridad de la batería va a la zaga de la innovación


En el estudio, los investigadores midieron el voltaje a través de los electrodos, determinando el diferencial entre los dos. Luego crearon un esquema para una estimación en tiempo real que infiere la información de electrodos por separado, dando a los investigadores una idea de la capacidad y la carga de cada electrodo.


"Cuanta más información tengamos sobre los electrodos individuales, mejor acción correctiva podremos tomar", dijo Dey. “Si sabemos que el electrodo negativo se está muriendo más rápido que el electrodo positivo, o qué electrodo falló, podemos pensar en una acción correctiva que podría ralentizar dicha falla. Por otro lado, cuanto más aprendamos sobre los mecanismos de falla del electrodo de la batería, más probabilidades hay de que podamos construir mejores baterías ”.


Por ahora, la estimación puede detectar la falla en 100 segundos, pero eso tendrá que ser mucho más rápido en el futuro, dijo Dey. Eventualmente, el objetivo es desarrollar un BMS avanzado que pueda desencadenar una especie de acción correctiva interna en el primer momento de falla para evitar que la batería entre en condiciones térmicas fuera de control. Para Dey es importante, porque cree que la seguridad de la batería siempre se ha quedado atrás de la innovación.


"Cuando la gente habla de baterías, a menudo se trata de cómo mejorar la eficiencia, la energía y las salidas de energía", dijo Dey. “Pero la seguridad siempre debería ser más importante. Nadie quiere conducir alrededor de un automóvil eficiente que podría explotar ”.