Comparación de los perfiles de seguridad de las baterías de ion-litio, ion-sodio y estado sólido

De ESS News

La transición global hacia sistemas energéticos sostenibles requiere tecnologías de almacenamiento de energía en baterías que ofrezcan un alto rendimiento y una seguridad robusta. Aunque las baterías de ionen litio (LIB) dominan actualmente el mercado, sus limitaciones en materia de seguridad, en particular el sobrecalentamiento provocado por los electrolitos líquidos inflamables, siguen siendo motivo de preocupación.

Investigadores de la Universidad de Newcastle, en el Reino Unido, en colaboración con la Academia de Bomberos de Polonia, han llevado a cabo una comparación exhaustiva de tres tecnologías clave: las baterías convencionales de ionen litio, las emergentes de ionen sodio (SIB) y las de estado sólido (SSB). Sostienen que, aunque la resistencia al sobrecalentamiento es importante, las comparaciones significativas entre diferentes composiciones químicas requieren un marco de seguridad holístico y con múltiples atributos, adaptado a los diferentes escenarios de implementación.

Su evaluación analiza la resistencia a la iniciación, la tolerancia al abuso, la gravedad de los fallos (incluida la temperatura máxima, la liberación de calor y la velocidad de calentamiento), los riesgos de los gases (volumen, inflamabilidad, toxicidad), el riesgo de propagación y las restricciones específicas de cada aplicación, como la diferencia entre el transporte marítimo confinado y los sistemas de almacenamiento en red equipados con sistemas activos de extinción de incendios.

El equipo estableció una base de referencia detallada para la seguridad de las baterías de iones de litio, examinando los mecanismos de fallo bajo abuso térmico, eléctrico y mecánico. Esto incluyó el análisis de la progresión del sobrecalentamiento, los perfiles de evolución de gases y la dinámica de propagación de célula a célula.

Señalan que la química del cátodo determina en gran medida la gravedad de los eventos térmicos al regular la densidad energética y el potencial de oxidación. Los óxidos en capas de alta energía, como el LiCoO₂ y las composiciones químicas ricas en níquel NMC, proporcionan una alta capacidad para los vehículos eléctricos, pero se vuelven estructuralmente inestables cuando se cargan en exceso, liberando oxígeno reactivo que acelera las reacciones exotérmicas con los disolventes electrolíticos. La estabilidad térmica disminuye al aumentar el contenido de níquel: el NMC-811 comienza a descomponerse a unos 215 °C, en comparación con los aproximadamente 275 °C del NMC-111.

El fosfato de hierro y litio (LFP), por el contrario, presenta una estructura de olivino robusta que resiste la liberación de oxígeno incluso por encima de los 300 °C, lo que lo hace menos propenso a un escape violento. Sin embargo, ofrece un voltaje y una densidad energética más bajos. Los investigadores advierten que ambos compuestos químicos presentan riesgos distintos, incluida la producción de gases inflamables o explosivos en condiciones extremas, lo que significa que el LFP no puede describirse simplemente como «más seguro» que el NMC.

Las baterías de iones de sodio presentan notables ventajas en materia de seguridad, entre ellas temperaturas de inicio de fuga térmica más altas (220-260 °C frente a 170-220 °C para las LIB basadas en NMC), menores tasas de liberación de calor, menor contenido de hidrógeno en los gases de escape (alrededor del 30 % en comparación con el 42 % del LFP) y la posibilidad de transportarlas a cero voltios, lo que reduce significativamente los riesgos logísticos.

Las baterías de estado sólido, en particular las variantes basadas en óxidos, representan un cambio más fundamental al eliminar los electrolitos líquidos inflamables. Estos sistemas demuestran una estabilidad térmica excepcional (T2 por encima de 600 °C), una evolución mínima de gases (menos de 0,5 L/Ah) y velocidades de propagación significativamente más lentas en comparación con las celdas NMC con alto contenido de níquel (0,3-0,9 °C/min frente a 9-11 °C/min para las NMC con alto contenido de Ni).

Sin embargo, los investigadores hacen hincapié en que las clasificaciones de seguridad dependen en gran medida del contexto de aplicación. La estabilidad térmica superior del LFP puede verse compensada por las altas concentraciones de fluoruro de hidrógeno (HF) en situaciones de fallo (3000-8000 ppm), mientras que las baterías de estado sólido basadas en sulfuro pueden presentar riesgos de sulfuro de hidrógeno (H₂S) si se exponen a la humedad.

En su artículo, Comparative Safety Analysis of Current and Next-Generation Battery Technologies (Análisis comparativo de la seguridad de las tecnologías de baterías actuales y de próxima generación), publicado en la revista Journal of Power Sources, los autores concluyen que «el camino hacia un almacenamiento de energía más seguro es una evolución continua, no un destino único».

Si bien las arquitecturas de estado sólido prometen mejoras intrínsecas en materia de seguridad a largo plazo, los investigadores sugieren que la tecnología de ionen sodio ofrece una mejora práctica a corto plazo. Mientras tanto, el perfeccionamiento continuo de los sistemas de ionen litio será esencial para garantizar la seguridad de la amplia flota instalada y de la que se instalará en un futuro próximo. En última instancia, argumentan, un futuro alimentado por baterías dependerá de una cartera diversa de tecnologías, cada una de ellas seleccionada por su equilibrio específico entre rendimiento, coste y, lo que es más importante, un perfil de seguridad rigurosamente validado.

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