Ensayos de abuso sobre baterías de li-ion

Ensayos destructivos en simulación ambiental

Las pruebas de seguridad, también conocidas como pruebas de abuso de la batería, implican exponer la batería a condiciones fuera de la ventana de funcionamiento real para las que ha sido diseñada. Son pruebas destructivas. Un ejemplo de prueba de seguridad destructiva es una prueba de sobrecarga, en la que la batería se carga a un voltaje más alto que el recomendado normalmente. Esto puede hacer que la batería se sobrecaliente y potencialmente falle o explote. Otro ejemplo es el llamado "nailing" o penetración, en el que se perfora la batería con un objeto puntiagudo para ver cómo reacciona ante posibles daños. Estas llamadas pruebas de abuso de baterías suelen producir ir acompañadas de un “thermal runaway” o embalamiento térmico que lleva a un incendio o una explosión. La batería se sobrecarga, sobrecalienta o daña intencionalmente para probar cómo responde a estas condiciones extremas. El propósito de este tipo de prueba es examinar el comportamiento de la batería bajo estrés extremo para garantizar que sea segura, confiable y que no presente peligros, especialmente en aplicaciones donde pueden provocar situaciones potencialmente peligrosas, como en vehículos eléctricos o dispositivos electrónicos portátiles. Las pruebas destructivas pueden minimizar el riesgo de accidentes e incendios, garantizando una mayor seguridad y confiabilidad. También son un requisito previo para la comercialización y el desarrollo de nuevas baterías.

El Thermal Runaway

Una batería de iones de litio generalmente funciona de forma segura en un rango cercano hasta +100°C sin defectos duraderos. Si el nivel de temperatura supera ese límite, se inician las correspondientes reacciones de descomposición dentro de la batería. Por encima de una temperatura de aprox. 120°C, primero se descompone la llamada interfase de electrolito sólido (SEI) y poco después se disuelve gradualmente el material separador entre el ánodo y el cátodo. Dependiendo de la composición de las celdas de una batería, se producen reacciones exotérmicas en un rango de temperatura de 160°C ... 200°C. Este nivel de temperatura también es característico del inicio del descontrol térmico de la batería. En el caso de las baterías de iones de litio, alcanzar este estado depende principalmente del tipo de falla de la celda (condición de mal uso) y de la composición de la celda, ya que esto tiene una influencia significativa en la tasa de aumento de temperatura dentro de la celda de la batería.

Con un aumento de temperatura de 10 K/s, se asume un descontrol térmico. Cuando se alcanza esta condición, ya no se puede evitar una liberación incontrolable de calor, es decir, el calor generado ya no se puede disipar en cantidad suficiente por el sistema de control de temperatura de la batería. La energía térmica resultante hace que las reacciones exotérmicas sigan acelerándose. Debido al aumento de temperatura en la batería, se genera una alta presión que, por encima de un determinado nivel, hace que la batería explote. En esta condición, el gas caliente (gas de ventilación) sale de la batería y se enciende directamente por la alta temperatura de la celda o se vuelve a encender poco tiempo después, cuando está presente la energía de ignición mínima. Dado que en las reacciones de descomposición uno de los productos de reacción es, entre otros, oxígeno, se mantiene el proceso de combustión. Por tanto, sólo se pueden contener los efectos del incendio. No es posible extinguir el fuego por completo.

Aun no existen normas vinculantes para las pruebas de abuso, pero la cámara ExtremeEvent de WEISS Technik está especialmente diseñada para realizar:

1. Ensayos o pruebas mecánicas

En las pruebas mecánicas, un objeto penetra o atraviesa la batería (integridad mecánica). Se examina, por ejemplo, en qué medida la penetración de un clavo (cortocircuito interno) o el aplastamiento (choque) afectan a la funcionalidad y al comportamiento de seguridad de la batería.

2. Ensayos o pruebas térmicas

Durante las pruebas térmicas, las baterías se someten a temperaturas ambientales bajas o excesivas, y las pruebas de exceso de temperatura en particular conducen a una fuga térmica en la mayoría de los casos. En este caso, el aire circundante se calienta hasta 200 °C o incluso más, lo que eleva la batería después de un cierto tiempo a un nivel de temperatura crítico debido a procesos de transferencia de calor.

3. Ensayos o pruebas eléctricas

Durante las pruebas eléctricas se prueban diversos escenarios críticos que puedan existir en relación con la periferia eléctrica circundante. Por ejemplo, se genera un cortocircuito (cortocircuito externo) o la batería se sobrecarga deliberadamente con un nivel de tensión más alto. Como resultado, la batería se calienta y también entra rápidamente en un estado crítico. 

Las normas medioambientales y la creciente concienciación sobre la seguridad laboral impiden realizar pruebas en entornos abiertos o en edificios antiguos vacíos (búnkeres, hangares) sin un posterior tratamiento de los gases de escape. Por lo tanto, no pueden formar parte de un concepto de ensayo con condiciones ambientales reproducibles.

WEISS Technik ha desarrollado una cámara para la realización de los ensayos de abuso en entorno de Laboratorio. Con Temperatura y Humedad bajo control. Un equipo robusto, Certificado por TÜV y Patentado por WEISS Technik.

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