Hacer que los iones de litio sean seguros

Los paquetes de baterías que utilizan Li-ion requieren un circuito de protección obligatorio para garantizar la seguridad en (casi) todas las circunstancias. Regida por IEC 62133, la seguridad de las celdas o paquetes de Li-ion comienza por incluir algunas o todas las siguientes salvaguardas.

1. El PTC (coeficiente de temperatura positivo) incorporado protege contra sobretensiones.
2. CID (dispositivo de interrupción de circuito) abre el circuito a una presión de celda de 1000 kPa (145 psi).
3. La ventilación de seguridad libera gases en caso de acumulación excesiva de presión a 3000 kPa (450 psi).
4. El separador inhibe el flujo de iones mediante el proceso de fusión cuando se excede un cierto umbral de temperatura.

El PTC y el CID funcionan bien en un paquete más pequeño de 2 o 3 celdas con configuración en serie y en paralelo; sin embargo, estos dispositivos de seguridad a menudo se omiten en baterías de varias celdas más grandes, como las de herramientas eléctricas, porque el apagado puede ocurrir en un formato en cascada. Si bien algunas celdas pueden desconectarse temprano, la corriente de carga provoca un exceso de corriente en las celdas restantes. Tal condición de sobrecarga podría provocar una fuga térmica antes de que se activen los dispositivos de seguridad restantes.

Además de las protecciones internas de las celdas, un circuito de protección electrónica externa evita que cualquier celda supere los 4,30 V de carga. Además, un fusible corta la corriente si la temperatura de la piel de cualquier celda se acerca a los 90°C (194°F). Para evitar que la batería se descargue excesivamente, un circuito de control corta el paso de corriente a aproximadamente 2,20 V/celda.

Cada celda de una cadena necesita monitoreo de voltaje independiente. Cuanto mayor es el número de células, más complejo se vuelve el circuito de protección. Cuatro celdas en serie había sido el límite práctico para aplicaciones de consumo. Hoy en día, los chips disponibles en el mercado también albergan de 5 a 7, de 7 a 10 y de 13 celdas en serie. Para aplicaciones especiales, como vehículos híbridos o eléctricos que entregan varios cientos de voltios, se fabrican circuitos de protección especiales. Monitorear dos o más celdas en paralelo para obtener una corriente más alta es menos crítico que controlar el voltaje en una configuración de cadena.

Los circuitos de protección sólo pueden proteger contra abusos desde el exterior, como un cortocircuito o un cargador defectuoso. Sin embargo, si se produce un defecto dentro de la celda, como una contaminación de partículas metálicas microscópicas, el circuito de protección externo tiene poco efecto y no puede detener la reacción. Se están desarrollando separadores reforzados y autorreparables para las celdas utilizadas en los sistemas de propulsión eléctricos, pero esto hace que las baterías sean grandes y costosas.

Los iones de litio comúnmente se descargan a 3,0 V/celda. El corte de energía de "bajo voltaje" más bajo permitido es 2,5 V/celda. No se recomienda mantener la batería a ese nivel ya que la autodescarga podría llevar la celda a su punto máximo.tensión de corte, lo que hace que la batería entre en modo de suspensión. La mayoría de los cargadores ignoran los paquetes de iones de litio que se han puesto en modo de suspensión y ya no es posible cargarlos.

En la posición ON, el circuito de protección interno tiene una resistencia de 50 a 100 mOhm, más baja en las fuentes de alimentación. El circuito normalmente consta de dos interruptores conectados en serie; uno es responsable del límite alto y el otro del límite bajo. Los paquetes más grandes necesitan un diseño más cuidadoso que una batería más pequeña, y los paquetes de celdas individuales para teléfonos móviles y tabletas se salen con la suya con un límite de voltaje y corriente, además de cierta protección intrínseca de las celdas.

Algunos cargadores de consumo de bajo costo pueden depender únicamente del circuito de protección de la batería para finalizar la carga. La redundancia es primordial para la seguridad y, sin que el comprador lo sepa, se pueden ofrecer cargadores de consumo de bajo costo que no tienen algoritmos de carga que funcionen correctamente. Podría ser un cargador de vehículo para un teléfono móvil o un cigarrillo electrónico.

Surge otra preocupación si la electricidad estática ha destruido el circuito de protección de la batería. Un interruptor de estado sólido en cortocircuito tiene un fusible permanente en la posición ON sin que el usuario lo sepa. Una batería con un circuito de protección defectuoso funciona normalmente pero no brinda protección. El voltaje de la celda podría superar un nivel seguro y sobrecargar la batería. La acumulación de calor y el abultamiento son signos tempranos de mal funcionamiento, pero algunas baterías explotan sin previo aviso.

Percance de un viajero que facturaba baterías de iones de litio no declaradas que explotaron antes del despegue. El envío de baterías de litio está regulado por ONU 38.3.

Los fabricantes de baterías de iones de litio no mencionan la palabra "explosión", pero se refieren a "ventilación con llama" o "desmontaje rápido". Aunque se considera un proceso más lento y controlado que la explosión, ventilar con llamas o un desmontaje rápido puede ser violento y causar lesiones a quienes se encuentran en las proximidades.

Directrices sencillas para el uso de baterías de iones de litio

• Tenga cuidado al manipular y probar baterías de iones de litio.
• No cortocircuite, sobrecargue, aplaste, deje caer, mutile, penetre con objetos extraños, aplique polaridad inversa, exponga a altas temperaturas ni desmonte paquetes y celdas.
• Utilice únicamente celdas de iones de litio con un circuito de protección designado y un cargador aprobado.
• Deje de usar la batería y/o el cargador si la temperatura del paquete aumenta más de 10 °C (18 °F) con una carga regular.
• El electrolito es altamente inflamable y la rotura de la batería puede provocar lesiones físicas.
• Utilice un extintor de espuma, CO2, químico seco, grafito en polvo, polvo de cobre o soda (carbonato de sodio) para extinguir un incendio de iones de litio. Vierta únicamente agua para evitar que el fuego se propague.
• Si el fuego de una batería de iones de litio en llamas no se puede extinguir, permita que el paquete se queme por sí solo de manera controlada y segura.