Detección temprana y prevención de incendios en baterías de Iones de litio

Abordaremos esta temática tenido en cuenta:

• Antecedentes
• La naturaleza de una falla en baterías de Iones de litio
• Limitaciones de los sistemas tradicionales 
• Tecnologías avanzadas para la detección proactiva
• El papel de la inteligencia artificial y la fusión de sensores
• Mitigación de riesgos en aplicaciones específicas
• El Panorama regulatorio y de pruebas
• Estrategia de seguridad integrada
• Conclusión y perspectivas futuras

Antecedentes

La creciente adopción global de la tecnología de baterías de iones de litio (Li-ion) en diversos sectores, como la electrónica de consumo, los vehículos eléctricos (VE) y los sistemas de almacenamiento de energía a escala de red (BESS, por sus siglas en inglés), ha introducido un perfil de riesgo de incendio distinto. 

A diferencia de los incendios tradicionales, los incidentes con baterías de Li-ion no son eventos de combustión simples, sino la culminación de una cascada de fallas electroquímicas. Comprender la naturaleza de estos eventos es fundamental para desarrollar estrategias de detección y mitigación eficaces, ya que los métodos convencionales de detección de incendios a menudo reaccionan en una etapa tardía, cuando la intervención ya es menos efectiva y el evento puede ser más crítico.

La naturaleza de una falla en baterías de Iones de litio: Fuga térmica y emisión de gases

Fuente: smartpropel.com

El riesgo central de incendio en las baterías de Li-ion se origina en un fenómeno conocido como fuga térmica (thermal runaway o TR). Este es un proceso de reacciones exotérmicas que se auto perpetúan dentro de una celda de la batería, iniciándose cuando la celda es sometida a condiciones de abuso que exceden sus límites operativos seguros. Los factores de abuso se clasifican principalmente en tres categorías:

• Abuso eléctrico: Incluye la sobrecarga o la descarga excesiva. La sobrecarga puede provocar el depósito de litio metálico en el ánodo, creando un cortocircuito interno y una generación de calor incontrolada.
• Abuso mecánico: Daños físicos como impactos, aplastamiento o penetración pueden comprometer la integridad estructural de la celda, rompiendo el separador y provocando un cortocircuito interno inmediato.
• Abuso térmico: La exposición a altas temperaturas ambientales o a una fuente de calor externa puede acelerar las reacciones químicas internas de forma irreversible.

Una vez que se inicia, la fuga térmica se convierte en un proceso en cascada donde el calor generado por una reacción acelera las subsiguientes, llevando a un aumento exponencial de la temperatura y la presión dentro de la celda. Un aspecto crítico que diferencia la fuga térmica de los incendios convencionales es su capacidad para generar su propio oxidante. 

A altas temperaturas, los materiales del cátodo se descomponen y liberan oxígeno, lo que significa que el evento no depende del aire circundante para continuar. Esto tiene profundas implicaciones para la seguridad y la supresión, ya que las estrategias tradicionales de extinción basadas en la sofocación o el desplazamiento de oxígeno, como el uso de CO2 o gases inertes, pueden extinguir las llamas visibles pero no detendrán la reacción exotérmica subyacente. 

La reacción solo cesará cuando los reactivos químicos se consuman o cuando la temperatura de las celdas se reduzca por debajo del umbral de propagación. Por lo tanto, el objetivo principal de la mitigación durante un evento de fuga térmica debe ser el enfriamiento agresivo y sostenido, típicamente con grandes volúmenes de agua, para romper la cadena de propagación del calor a las celdas adyacentes.

Ventana para la detección temprana

Mucho antes de que se manifieste el calor extremo, el humo visible o las llamas, una celda de batería que comienza a fallar emite una serie de gases, un proceso conocido como off-gassing. Esta emisión de gases es el precursor más temprano y detectable de una fuga térmica inminente, representando la ventana de oportunidad más valiosa para la intervención. La composición de estos gases evoluciona a medida que la falla progresa, proporcionando una firma química de la etapa de la falla.

En la fase inicial, el electrolito líquido de la batería comienza a descomponerse, liberando predominantemente vapores de disolventes como el carbonato de dimetilo (DMC), el carbonato de etilo y metilo (EMC) y el hidrógeno (H2). Estos compuestos son indicadores abundantes y fiables de un problema incipiente, señalando un compromiso de la integridad química de la celda. 

Consecuencias de la fuga térmica 

A medida que la temperatura interna de la celda aumenta, se producen reacciones más energéticas, intensificando la descomposición del electrolito y liberando una mezcla de gases más compleja y peligrosa, que incluye monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e hidrocarburos como metano y etano. Si la fuga térmica progresa sin control, se liberan gases extremadamente tóxicos y corrosivos, como el fluoruro de hidrógeno (HF), que se forma cuando la sal de electrolito reacciona con trazas de humedad. 

El HF es un gas peligroso que puede causar quemaduras químicas graves y daño pulmonar. La secuencia de emisión de gases es, por lo tanto, un cronograma de la falla. Una estrategia de detección que se enfoca en los vapores de electrolitos iniciales (DMC/EMC) y el hidrógeno ofrece la máxima advertencia posible, ya que detectar CO o humo implica haber perdido una ventana crítica para la mitigación.

Limitaciones de los sistemas tradicionales 

Los sistemas de detección de incendios convencionales, como los detectores de humo o calor, son fundamentalmente reactivos y están diseñados para un paradigma de incendio diferente. Estos sistemas son inherentemente lentos en el contexto de una falla de batería de Li-ion, ya que la fase inicial de off-gassing a menudo consiste en vapores incoloros que no son detectados por los sensores de humo estándar.

El humo visible y el calor intenso solo aparecen en las etapas posteriores de la fuga térmica, cuando el evento ya está en una fase crítica. Para cuando un detector de humo tradicional se activa, la fuga térmica puede ser irreversible, y una ignición violenta o una explosión pueden ser inminentes. Esta discrepancia no es un defecto en su diseño, sino un desajuste fundamental con la física de la falla de una batería de Li-ion. La protección eficaz exige un cambio de paradigma: pasar de la "detección de incendios" a la "detección y predicción de fallas".

Tecnologías avanzadas para la detección proactiva

Sistema de detección de gases de escape de batería de iones de litio Li-ion Tamer GEN 3 de Xtralix. Fuente: xtralis.com

Ante la insuficiencia de los sistemas tradicionales, se ha desarrollado una nueva generación de tecnologías de detección para identificar los precursores de la fuga térmica. Estas tecnologías no esperan la presencia de humo o llamas, sino que monitorean activamente las firmas químicas, térmicas y acústicas de una celda en proceso de fallo. Un enfoque proactivo que a menudo combina múltiples tecnologías es fundamental para una alerta temprana significativa.

Detección basada en gases: analizando la firma química de la falla

La detección de gases es el método más temprano posible para identificar una falla incipiente, ya que se dirige a la fase inicial de off-gassing. El objetivo es detectar la presencia de gases específicos que se liberan antes de que la temperatura y la presión alcancen niveles críticos. Los gases clave a monitorear incluyen hidrógeno (H2), monóxido de carbono (CO) y, crucialmente, compuestos orgánicos volátiles (VOC) que constituyen los vapores del electrolito, como el DMC y el EMC.

Existen diversas tecnologías de sensores para este propósito:

• Sensores electroquímicos: Son altamente específicos para gases como CO y H2. Funcionan mediante una reacción química que genera una corriente eléctrica proporcional a la concentración del gas. Sus ventajas incluyen bajo consumo de energía, alta sensibilidad a bajas concentraciones y una salida lineal. Sin embargo, tienen un rango de temperatura de funcionamiento limitado y una vida útil finita.
• Sensores de semiconductor de óxido metálico (MOS): Utilizan una película de óxido metálico que cambia su resistencia eléctrica en presencia de gases detectables. Son versátiles, capaces de detectar una amplia gama de gases combustibles, incluidos H2 y los hidrocarburos (vapores de electrolitos), y tienen una vida útil prolongada (a menudo más de 10 años). Su principal inconveniente es un mayor consumo de energía y la posibilidad de sensibilidad cruzada a varios gases.
• Detectores de fotoionización (PID): Excepcionalmente eficaces para detectar una amplia gama de VOC a concentraciones muy bajas (ppm o ppb). Un PID utiliza una lámpara de luz ultravioleta (UV) para ionizar las moléculas de gas, y la corriente generada se mide para determinar la concentración. Dada su alta sensibilidad a los vapores de disolventes orgánicos, los PID son ideales para detectar la primera emisión de gases de una batería en falla: los vapores del electrolito.
• Sensores infrarrojos (IR): Funcionan según el principio de que diferentes gases absorben la luz infrarroja en longitudes de onda específicas. Son muy estables, tienen una larga vida útil y son inmunes al "envenenamiento" por otros productos químicos. Se utilizan comúnmente para detectar hidrocarburos y CO2.

La selección de la tecnología no debe basarse en una única solución. Un análisis de la cronología de la falla revela que un enfoque de detección de múltiples gases es superior. Una estrategia óptima podría combinar la alta sensibilidad de un PID o un sensor MOS para VOC para la detección más temprana, complementada con un sensor electroquímico para H2 o CO como un indicador secundario y de confirmación. 

Este enfoque estratificado proporciona redundancia y aumenta la fiabilidad. Tecnologías emergentes como el Espectrómetro de Propiedades Moleculares (MPS) buscan integrar la detección de múltiples gases (incluidos H2, DMC y EMC) en un solo sensor.

Termografía Infrarroja: Visualizando el calor antes de la llama

Mientras que la detección de gases identifica el primer signo de una falla química, la termografía infrarroja detecta el primer signo de una falla térmica. Las cámaras termográficas miden la radiación infrarroja, permitiendo una visualización y medición sin contacto de la temperatura superficial. 

Su principal ventaja es la capacidad de identificar puntos calientes anómalos en celdas individuales o módulos mucho antes de que la fuga térmica sea catastrófica y, crucialmente, antes de que aparezcan llamas o humo. A diferencia de los sensores de contacto, las cámaras térmicas no requieren contacto físico, lo que las hace seguras para entornos de alto voltaje. 

Además, el humo no obstruye su visión permitiendo seguir monitoreando la situación incluso después de que comience la combustión, lo que ayuda a los equipos de respuesta a localizar el origen del fuego. Para ser efectivas, deben estar calibradas para medir la temperatura con precisión, distinguiendo aumentos de temperatura anómalos de las fluctuaciones normales. La termografía y la detección de gases son tecnologías complementarias, pudiendo una alerta de gas desencadenar un escaneo térmico para identificar con precisión la celda fallando.

Detección acústica: Escuchando el inicio de la falla

Una tecnología innovadora es el uso de sensores acústicos. Investigaciones han demostrado que la falla mecánica de la válvula de seguridad de una celda de batería produce una firma acústica distintiva: un "clic-siseo". Este sonido se produce cuando la presión interna generada por los gases del off-gassing alcanza un punto crítico y rompe la válvula para liberar la presión. 

Utilizando inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático, los algoritmos pueden reconocer este sonido con alta precisión, incluso en entornos ruidosos. Este método puede proporcionar una ventana de advertencia de aproximadamente dos a tres minutos antes de la ignición, un tiempo crucial para la evacuación o activación de sistemas de mitigación. La detección acústica es un método no invasivo, sin contacto y no químico que detecta un síntoma mecánico de la falla, y su potencial reside en actuar como una capa de detección redundante o en entornos donde la detección de gases o térmica puede ser un desafío.

El papel de la inteligencia artificial y la fusión de sensores

El futuro de la seguridad de las baterías de Li-ion reside en un sistema inteligente que integra datos de múltiples fuentes. La IA y el aprendizaje automático son claves para analizar flujos de datos complejos y en tiempo real procedentes de una variedad de sensores, incluyendo:

• Sistema de gestión de baterías (BMS): datos de voltaje, corriente y temperatura de cada celda.
• Sensores de gas: concentraciones de H2, CO y VOC.
• Cámaras térmicas: patrones de temperatura y gradientes.
• Sensores acústicos: firmas de sonido específicas.

Este enfoque, conocido como fusión de sensores, permite al sistema identificar patrones sutiles y correlaciones que serían invisibles para un solo sensor. Por ejemplo, un ligero aumento de la concentración de VOC, correlacionado con un pequeño aumento de temperatura en una celda específica y una caída de voltaje anómala, es un indicador mucho más fiable de una falla inminente que cualquiera de esas señales por sí sola. 

Al aprender la "firma" operativa normal de un sistema, un sistema de IA puede detectar cualquier desviación, transformando la detección en pronóstico, respondiendo a la pregunta "¿Va a fallar?", lo que tiene un valor inmenso para el mantenimiento predictivo y la prevención de incidentes.

Mitigación de riesgos en aplicaciones específicas

Fuente: iberext.com

La comprensión teórica de los mecanismos de falla y las tecnologías de detección debe traducirse en soluciones prácticas para aplicaciones reales. Los riesgos y las estrategias de mitigación varían significativamente según el entorno.

Sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS)

Los BESS presentan una de las mayores preocupaciones debido a la enorme densidad de energía almacenada en espacios confinados. Los incendios en BESS revelan una vulnerabilidad crítica: la velocidad de propagación de la fuga térmica. 

Los sistemas de monitoreo de off-gassing, que detectan los productos de la descomposición del electrolito antes de la fuga térmica, son una contramedida esencial. La implicación es que la detección temprana de precursores es esencial. Un sistema de detección de off-gassing integrado con el BMS para desenergizar automáticamente el bastidor afectado al primer signo de vapor de electrolito podría haber evitado el incendio.

Centros de datos: Protección de infraestructura crítica

Los centros de datos están migrando a baterías de Li-ion para sus Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (SAI o UPS), ofreciendo ventajas en densidad de energía, vida útil y menores requisitos de mantenimiento. Sin embargo, esto introduce un riesgo de incendio más volátil. 

Un devastador incendio en un centro de datos en Corea del Sur en 2022, que causó una interrupción a nivel nacional, fue atribuido a fallas en el sistema de baterías del SAI y fallas de diseño como la falta de separación física. Esto destaca que los BMS, aunque son muy importantes, no son infalibles, y la falta de intervención oportuna puede anular sus beneficios. 

La inversión en seguridad contra incendios es una inversión directa en la continuidad del negocio. Las mejores prácticas, como la NFPA 855, exigen un diseño riguroso que incluya salas de baterías dedicadas y sistemas de detección y supresión adecuados. El cambio a Li-ion debe ir acompañado de una mejora proporcional en los sistemas de seguridad, incorporando tecnologías de detección temprana de off-gassing y termografía.

Infraestructura de carga de vehículos eléctricos (VE)

Fuente: quartux.com

La proliferación de VE introduce un riesgo de incendio distribuido y a menudo sin supervisión en espacios públicos y privados, como aparcamientos subterráneos. Los desafíos principales incluyen la infraestructura envejecida que no fue diseñada para incendios de Li-ion, la acumulación de humo tóxico (como HF) en espacios mal ventilados, y el riesgo de propagación entre vehículos cercanos. 

Las soluciones para este entorno distribuido deben centrarse en la monitorización del área y la robustez de la infraestructura. Las cámaras termográficas pueden supervisar continuamente múltiples puestos de carga, detectando un vehículo o puerto de carga que se sobrecalienta.

Además, los sistemas de visión por cámara que utilizan algoritmos de IA están siendo desarrollados para la detección visual de llamas y humo en tiempo real, ofreciendo una respuesta más rápida. Otras medidas incluyen la mejora de los sistemas de rociadores y ventilación, el uso de barreras resistentes al fuego y un espaciado adecuado entre puestos de carga.

El panorama regulatorio y de pruebas

La rápida adopción de la tecnología de almacenamiento de energía ha impulsado el desarrollo de un nuevo marco regulatorio y de pruebas para abordar los riesgos únicos de las baterías de Li-ion. Dos documentos fundamentales en este panorama son la norma NFPA 855 y el método de prueba UL 9540A.

NFPA 855

La NFPA 855, Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems, es la norma de referencia en América del Norte para el diseño e instalación seguros de los ESS. Para los sistemas de Li-ion, se aplica a instalaciones con una capacidad agregada de 20 kWh o más. Sus requisitos clave incluyen:

• Ubicación y separación: Prescribe distancias mínimas de separación entre unidades de ESS (típicamente 3 pies o 914 mm) y entre unidades y paredes u otros equipos. Se permite reducir la separación si se justifica con pruebas de propagación de fuego a gran escala (UL 9540A).
• Supresión de incendios: La edición de 2023 exige la instalación de sistemas de supresión de incendios para casi todas las instalaciones de ESS, con excepciones a discreción de la Autoridad Competente (AHJ) basándose en un Análisis de Mitigación de Riesgos (HMA) y pruebas UL 9540A.
• Control de explosiones: Reconociendo el riesgo de explosión por la acumulación de gases inflamables ventilados, exige un sistema de control de explosiones. Ofrece dos vías: venteo de deflagración (NFPA 68) o prevención de explosiones (NFPA 69), siendo esta última (ventilación mecánica para mantener la concentración por debajo del 25% del límite inferior de inflamabilidad - LFL) la práctica recomendada.
• Detección y alarma: Se requiere detección de humo o calor. Sin embargo, para sistemas de baterías de iones de litio con una capacidad agregada de 20 kWh o más y separadas por menos de 0.9 m, se debe proporcionar un sistema listado o aprobado para monitorear la liberación de vapor de electrolito antes de la fuga térmica. Tras la detección de vapores electrolíticos, la(s) batería(s) afectada(s) debe(n) dejar de cargarse, desconectarse de su carga, y enviar una señal de supervisión a una ubicación monitoreada. La detección debe estar conectada al sistema de alarma del edificio y activar la mitigación.
• Documentación requerida: Exige la presentación de un HMA, un Plan de Respuesta a Emergencias y los resultados de las pruebas de fuego y explosión a gran escala, como las de UL 9540A.

Un aspecto fundamental de la NFPA 855 es su transición hacia un enfoque basado en el rendimiento. Permite desviaciones de los requisitos prescriptivos si se puede demostrar, a través de pruebas a gran escala como UL 9540A, que se mantiene un nivel de seguridad equivalente o superior.

UL 9540A

La 9540A no es una certificación de producto, sino un método de prueba estandarizado para generar datos sobre cómo se comporta un sistema de baterías durante un evento de fuga térmica. Su objetivo es evaluar el potencial de propagación del fuego y los peligros de explosión. La prueba se realiza de manera escalonada:

• Nivel de celda: Se intenta forzar una celda individual a entrar en fuga térmica para caracterizar su comportamiento.
• Nivel de módulo: Se observa si la falla se propaga a las celdas adyacentes dentro del mismo módulo.
• Nivel de unidad: Se evalúa la propagación de la falla a otros módulos dentro de un gabinete o unidad completa de ESS. Se miden datos cruciales como la tasa de liberación de calor (HRR), la composición y el caudal de los gases ventilados, y la presencia de llamas externas.
• Nivel de instalación: Se colocan dos o más unidades de ESS a la distancia de instalación propuesta para observar si la falla se propaga a la unidad adyacente y evaluar la eficacia de los sistemas de supresión.

Esta estructura escalonada permite a los fabricantes identificar y mitigar riesgos en las primeras etapas del diseño. 

Estrategia de seguridad integrada

Una protección eficaz contra los riesgos de las baterías de Li-ion no puede depender de una única tecnología o procedimiento. Requiere una estrategia de seguridad integrada y de múltiples capas, un enfoque de "defensa en profundidad" que abarque desde la detección proactiva hasta la mitigación activa y las mejores prácticas operativas.

Diseño de una estrategia de detección y alarma de múltiples capas

Una estrategia de detección robusta superpone varias tecnologías para cubrir toda la cronología de una falla:p

• Capa 1: Detección de precursores químicos (la alerta más temprana): Se centra en la detección de off-gassing mediante sensores de gas como PID o MOS sensibles a los VOC (vapores de electrolito como DMC, EMC), complementados con sensores electroquímicos para H2. Una alerta aquí indica que la integridad química de una celda se ha comprometido.
• Capa 2: Confirmación térmica y localización precisa: Tras una alerta de gas o como monitoreo paralelo, las cámaras de termografía infrarroja confirman el problema térmico e identifican la celda o módulo sobre calentándose.
• Capa 3: Detección de falla mecánica: Sensores acústicos entrenados por IA detectan el "clic-siseo" característico de la ruptura de la válvula de seguridad de una celda, confirmando que la presión interna ha alcanzado un nivel crítico.
• Capa 4: Alerta de escalada. Si el evento escala rápidamente, los sistemas de detección tradicionales como detectores de humo de alta sensibilidad o de calor, junto con sistemas de visión por máquina basados en IA para detectar visualmente llamas o humo, actúan como una última línea de defensa.

La integración de estas capas en un sistema de gestión centralizado, que se comunica con el BMS, crea un sistema de alerta muy temprana que es sensible y fiable.

Una alarma de detección temprana es útil sólo si desencadena una respuesta automática y pre-planificada para detener la progresión de la falla. Las acciones recomendadas incluyen:

• Desenergización y aislamiento eléctrico: La acción más inmediata tras una alerta confirmada debe ser una señal al BMS para que desconecte y aísle eléctricamente el bastidor o módulo de baterías afectado. Esto elimina el abuso eléctrico y puede estabilizar la situación si se detecta a tiempo.
• Activación de la ventilación de prevención de explosiones: La alarma debe activar el sistema de ventilación de emergencia para extraer los gases inflamables del recinto y evitar que su concentración alcance el LFL, mitigando el riesgo de explosión.
• Activación de la supresión (enfriamiento): Dependiendo del diseño y los resultados de UL 9540A, la alarma puede activar un sistema de supresión. Para los incendios de Li-ion, el objetivo principal es el enfriamiento. Los sistemas de agua nebulizada o de diluvio son eficaces.

Conclusión y perspectivas futuras

La gestión del riesgo de incendio en las baterías de Li-ion es un desafío multifacético que requiere una estrategia holística e integrada. La protección efectiva exige un cambio fundamental de la detección reactiva de la combustión a la detección proactiva y multimodal de los precursores de la falla. 

Una estrategia óptima combina tecnologías de detección avanzadas (sensores de gas, cámaras termográficas, sensores acústicos) con la vinculación inteligente de estas alertas a sistemas de mitigación activa (desenergización, ventilación de prevención de explosiones, supresión basada en el enfriamiento). 

Todo esto debe estar respaldado por un diseño de instalación robusto que cumpla con las normativas en evolución, como la NFPA 855, y cuyo rendimiento de seguridad esté validado por pruebas rigurosas, como las definidas en UL 9540A. Finalmente, las mejores prácticas operativas y una planificación de emergencia exhaustiva forman una capa humana indispensable de esta defensa en profundidad.

El campo de la seguridad de las baterías de Li-ion está evolucionando rápidamente, y varias tendencias clave darán forma a su futuro:

• Inteligencia artificial y aprendizaje automático avanzados: La IA transformará la seguridad de las baterías, pasando de la detección a la prognosis, prediciendo fallas con un alto grado de confianza al analizar sutiles desviaciones en los datos operativos en tiempo real.
• Nuevas tecnologías de sensores: La investigación y el desarrollo continuarán produciendo sensores más robustos, económicos y sensibles, mejorando el rendimiento de la detección en entornos difíciles.
• Químicas de baterías intrínsecamente más seguras: La industria está invirtiendo en el desarrollo de químicas de baterías de próxima generación, como las baterías de estado sólido, que prometen una mayor seguridad al reemplazar el electrolito líquido inflamable por un material sólido. Aunque se espera que reduzcan significativamente el riesgo de fuga térmica, la necesidad de una detección avanzada persistirá.
• Evolución continua de códigos y normas: Las normas como NFPA 855 y UL 9540A son documentos vivos que incorporarán las lecciones aprendidas de los incidentes de campo y los resultados de las últimas investigaciones, lo que conducirá a requisitos de seguridad cada vez más refinados y eficaces.

La gestión del riesgo de incendio en las baterías de Li-ion es un desafío multifacético que requiere la colaboración continua entre fabricantes, ingenieros de seguridad, autoridades reguladoras y usuarios finales. Al adoptar un enfoque proactivo, basado en la ciencia y en capas, es posible aprovechar los inmensos beneficios de esta tecnología energética transformadora mientras se gestionan y mitigan eficazmente sus riesgos inherentes.