Fuga térmica en baterías de iones de litio en submarinos

En la actualidad, las baterías desempeñan un papel fundamental en las operaciones submarinas, papel que no hará sino aumentar en el futuro.

Los submarinos son capaces de operar de forma encubierta, por lo que Defensa los utiliza para proteger las líneas de suministro, recabar información y llevar o recoger fuerzas especiales. Para los Países Bajos son un arma estratégica importante, ya que los submarinos pueden utilizarse para proteger sus intereses y su territorio. La Marina Real Holandesa utiliza submarinos diésel-eléctricos, que funcionan con batería durante las operaciones encubiertas. Éstas se cargan con los motores diésel. El hecho de utilizar los motores diésel hace que el submarino emita muchas señales, como ruido y gases de escape calientes.

- Además, el buque tiene que hacer snorkel, con la nave justo debajo de la superficie del agua extiende su mástil de snorkel para refrescar el aire. Para las operaciones encubiertas, esto no es deseable y debe evitarse en la medida de lo posible.

Para aumentar la resistencia subacuática de los submarinos no nucleares, se pueden aplicar baterías de iones de litio o soluciones Air Independent Power (AIP).(1,2) Sin embargo, un sistema AIP hace que el submarino sea más grande y complejo, lo que se traduce en una menor velocidad bajo el agua. Además, un sistema AIP acaba por quedarse sin combustible y oxígeno, con los mismos posibles efectos operativos adversos.(3)

El uso de baterías de iones de litio puede duplicar la resistencia submarina, ya que estas baterías tienen una mayor densidad energética. Por desgracia, estas baterías son propensas al desbordamiento térmico, en el que la energía almacenada en la batería se libera a través de reacciones internas en forma de calor y gases. Esto puede provocar la ignición y explosión de la batería. Este artículo, basado en la tesis de licenciatura de Tom Wien para la asignatura de Sistemas y Tecnología Militares de la NLDA, describe la investigación sobre esta fuga térmica.

En primer lugar, se ofrece una explicación técnica, seguida de una consideración más sustantiva del concepto de embalamiento térmico; a continuación, los resultados de la investigación y, por último, la conclusión y las recomendaciones para lograr una aplicación segura del ión-litio para duplicar la autonomía submarina de los submarinos.

Gran riesgo de las baterías de iones de litio

En la actualidad, las baterías desempeñan un papel fundamental en las operaciones submarinas, papel que no hará sino aumentar en el futuro. Por tanto, esta tecnología deberá utilizarse de forma segura. Sin embargo, las baterías de iones de litio presentan un mayor riesgo de fuga (TR, thermal runaway). Durante un TR, los distintos componentes de la batería reaccionan a medida que aumenta la temperatura. Al final, estas reacciones pueden provocar un cortocircuito interno, liberando la energía almacenada en forma de calor y gases (véase la figura). Además, un incendio de batería es más complicado de extinguir que un incendio "normal", porque las reacciones químicas durante un TR generan oxígeno, combustible y calor adicionales. Un incendio de este tipo se mantiene por sí mismo, lo que dificulta su extinción. En el caso de un vehículo eléctrico, las consecuencias pueden limitarse dejando que se queme a un lado de la carretera. Las baterías de los barcos disponen de conductos de ventilación para disipar el calor y los gases, pero en el caso de un submarino que funciona bajo el agua, la disipación del calor y los gases es menos fácil. Si no se manipulan con cuidado, pueden causar no sólo daños al submarino, sino, sobre todo, lesiones a su tripulación. Por lo tanto, un TR debe evitarse en la medida de lo posible. Si se produce, debe mantenerse bajo control para evitar más daños y lesiones.

Una batería durante una prueba de incendio (4)

'Si el calor y los gases no se manejan con cuidado, pueden causar no sólo daños al submarino, sino sobre todo lesiones a su tripulación'

Tecnología de las baterías de iones de litio

Una batería de iones de litio tiene varios componentes, los dos más importantes de los cuales son el ánodo y el cátodo (véase la figura 1). El lado del ánodo está separado del cátodo mediante un separador. Esta membrana sólo deja pasar los iones de litio, permitiéndoles pasar del cátodo al ánodo, pero los electrones tienen que estro-menar fuera de la pila. Entre el ánodo y el cátodo se encuentra también el electrolito, que permite el proceso de desplazamiento de los iones de litio. Durante la descarga de la pila, los iones de litio se desplazan del ánodo al cátodo. Esto hará que los electrones fluyan a través del circuito externo. De este modo, la batería suministra energía a un dispositivo eléctrico. Al cargar la batería, este proceso tendrá lugar en la dirección opuesta y el almacenamiento de iones de litio tendrá lugar en el ánodo hasta que la batería se utilice de nuevo.

Construcción de un compartimento de batería

Un compartimento para baterías de iones de litio suele estar compuesto por celdas, módulos y bastidores, lo que da lugar a un sistema de baterías completo (Figura 2). En su forma más reducida, este sistema consta de celdas individuales, que pueden ser cilíndricas o prismáticas. Estas celdas se conectan en serie y en paralelo para alcanzar el voltaje y la capacidad deseada del módulo. Sin embargo, no se aprovecha todo el espacio del módulo. El cableado, las fijaciones y otros componentes electrónicos ocupan espacio, y también es necesaria la refrigeración, con agua o aire. El resultado es una menor densidad energética y un factor de empaquetamiento típico del módulo del 69%, como se muestra en la Tabla 1.(5) A continuación, los módulos se colocan en bastidores, lo que de nuevo requiere espacio adicional para el cableado, el bastidor y las posibles configuraciones de refrigeración. En consecuencia, la configuración de los denominados bastidores afecta directamente a la capacidad de refrigeración y, por tanto, también a la probabilidad y las consecuencias de un TR. Por último, los bastidores suelen estar en un compartimento, ya que los módulos deben ser accesibles para su mantenimiento y sustitución durante la vida útil del submarino. Esto significa que, por término medio, sólo el 25% del volumen de un compartimento de baterías es realmente utilizado por las células. Esto también significa que, en lugar de 350 Wh/L, la densidad energética desciende a 87,5 Wh/L, lo que es significativamente inferior. Esto también reduce la ventaja inicial en densidad energética sobre las baterías de plomo-azufre. En comparación con las de plomo-azufre, la densidad energética puede multiplicarse por dos, siempre que el factor de empaquetamiento sea suficiente en un diseño de submarino específico.

Tabla 1: Densidades energéticas del compartimento de una batería de iones de litio

Figura 1: Visión general de los componentes de una batería de iones de litio.

Figura 2: estructura modular de un sistema de batería de iones de litio en un compartimento.

Figura 3: las cuatro fases durante un desborde térmico.

Figura 4: resumen de las distintas reacciones que tienen lugar durante un desbordamiento térmico en una batería de NMC.

Diferentes fases del desbordamiento térmico

Un TR pasa por cuatro fases diferentes, que se muestran esquemáticamente en la figura 3. Las reacciones durante estas fases pueden producir calor y/o gases y, por tanto, influir en el estado de la batería. Cuando aumenta su temperatura, la primera reacción es la descomposición de la interfaz entre el electrolito y el ánodo (SEI), que provoca grietas en esta capa protectora. La temperatura a la que esto ocurre varía en función del tipo de batería, pero oscila entre 60 y 120 grados centígrados. Las grietas en la SEI provocan una reacción entre el ánodo y el electrolito. Esto provocará una generación adicional de calor, aumentando aún más la temperatura de la batería y fundiendo el separador. El resultado de la fusión del separador es una conexión eléctrica entre el ánodo y el cátodo. Esto se conoce como cortocircuito interno (ISC). Esto puede liberar hasta el 70% de la energía de la célula en 60 segundos, provocando un aumento significativo de la temperatura. Por último, el cátodo se descompone e inicia una reacción con el electrolito. Durante la descomposición del cátodo se liberan calor y oxígeno adicionales. Esto garantiza que la combustión se mantenga hasta que la batería se quede sin energía. Por lo tanto, un incendio en una pila es difícil de extinguir debido a esta fase.(6)

Construcción del modelo

Para determinar cuánto calor y gases se liberan durante un TR, construimos un modelo teórico, basado en datos de la bibliografía.(7) Se analizó una batería de iones de litio específica: una batería de 25 Ah de níquel, manganeso y cobalto (NMC). Ésta es la más inestable y tiene una alta densidad energética. Si esta batería satisface, todas lo hacen.(8)

La cantidad de calor y gases generados durante un TR es el resultado del ritmo al que se producen las reacciones de gran alcance en las distintas fases del TR. En este proceso, el calor puede disiparse total o parcialmente por refrigeración. Si ésta es insuficiente, la temperatura de la pila aumenta, lo que incrementará el ritmo de las reacciones. También pueden producirse otras reacciones, sobre todo si el aumento de la temperatura da lugar a una nueva fase del TR. (9) El modelo también calcula si el enfriamiento de la batería en un TR es suficiente o no.

Figura 5: Generación de calor durante un TR por las diferentes reacciones de una batería NMC. La generación de calor se representa logarítmicamente con respecto a la temperatura de la batería.

Figura 6: Aumento de presión de un módulo de batería en un TR de una sola célula y refrigeración aplicada. El volumen de agua y nitrógeno se da a título indicativo.

Los gases liberados pueden provocar un aumento de presión en un espacio cerrado. Mediante un cálculo, a través de una forma de la ley de los gases ideales, se puede determinar este aumento de presión. Esto puede indicar si el aumento de presión no causará daños en un compartimento de un submarino y si, por tanto, los gases pueden almacenarse (temporalmente) en el compartimento.(10)

'El enfriamiento oportuno de la batería es crucial para reducir o incluso evitar el impacto de un TR'

Resultados

A partir del modelo preparado, se realizaron varios análisis para determinar el impacto de un TR. En primer lugar, la figura 4 ofrece una visión general de las diferentes reacciones que tienen lugar durante un TR de una batería NMC. Esto ilustra qué reacciones generan o absorben calor y qué reacciones liberan gases.

El calor generado por las reacciones exotérmicas depende de la reacción específica y de la temperatura de la pila. La figura 5 muestra cuánto calor se libera por reacción en función de la temperatura. Este calor se representa logarítmicamente con respecto a la temperatura de la pila. La figura 4 muestra en qué intervalo de temperatura contribuyen las reacciones de los distintos componentes y si esto libera gases y calor de una reacción exotérmica. Por ejemplo, según la figura 5, la generación total máxima de calor a 500 °C es igual a 40.000 W, para una batería que nominalmente puede suministrar 95 W durante una hora. A esta temperatura, según la Figura 5, principalmente el cátodo y el ISC contribuyen a la generación de calor y a la producción de gases. En comparación, una cocina de gas típica produce 3000 W de calor. Para controlar el TR, antes de que se produzca por completo, el sistema de refrigeración debe ser capaz de disipar esta cantidad de calor. Si esto es imposible, el sistema de refrigeración deberá conectarse antes. Por ejemplo, si el sistema de refrigeración se activa cuando la temperatura de la batería es de 200 °C, entonces la generación de calor es relativamente baja, aproximadamente 20 vatios y, por lo tanto, no se produce ningún cortocircuito interno (ISC). Esto, por supuesto, es mucho más fácil de enfriar. Esto demuestra que la refrigeración a tiempo de la batería es crucial para reducir o incluso evitar el impacto de un TR.

Figura 7: Aumento de la presión de un compartimento de la batería durante un TR unicelular en relación con la temperatura de activación de la refrigeración. Aumento de presión a la izquierda sin refrigeración aplicada, aumento de presión a la derecha con refrigeración aplicada.

A partir del modelo, también se evaluó el impacto de un TR en un submarino. El diseño ficticio consistía en un submarino diésel-eléctrico con cuatro compartimentos para baterías de iones de litio. En el caso de un TR, se utiliza un agente extintor para la refrigeración. Este agente extintor consiste en una mezcla de espuma, agua y nitrógeno. El uso de nitrógeno es relevante en este caso porque este gas inerte no reacciona con otros gases liberados durante un TR. Los cuatro compartimentos pueden sellarse para que los gases no se dispersen por el submarino.

En primer lugar, investigamos el impacto de un TR en una sola célula de un módulo de batería. Para garantizar que el TR no se propague a varias celdas, aplicamos refrigeración. Como se ha indicado, la generación de calor aumenta con más fuerza a medida que aumenta la temperatura de la fila de baterías. Cuanto más tarde se activa la refrigeración, más espuma se necesita para detener el TR. Los resultados pueden verse en la figura 6. La presión en el módulo aumenta rápidamente, hasta superar ya los 5 bares cuando se activa la extinción a 150 °C. Si la refrigeración se activa tarde, la presión puede aumentar hasta casi 60 bares. Por lo tanto, en caso de TR, los gases liberados no pueden contenerse en el módulo, sino que deben controlarse a nivel del compartimento. Esto se consigue instalando una válvula de alivio de presión en el módulo. Ésta se abrirá cuando se alcance una presión determinada y los gases se descargarán al compartimento. De este modo se mantiene la presión en el módulo a un nivel manejable.

Si los gases procedentes del TR y de una posible refrigeración entran en el compartimento, también se producirá un aumento de la presión. Sin embargo, el volumen libre de un compartimento es muchas veces mayor que el de un módulo, por lo que el aumento relativo de la presión es menor. La figura 7 muestra este aumento de presión cuando varias celdas de un módulo entran en TR. También se consideró el impacto de la activación de la extinción por espuma. Si no se aplica la extinción por espuma, la presión toena-me será menor que cuando se enfría con espuma. En este caso, existe el riesgo de que el TR se vuelva incontrolable, permitiendo que el calor del TR se propague a otras celdas. Esto puede dar lugar a que más células entren en TR, con lo que se libera aún más calor y gas. Esta reacción de ket-ting es mucho más difícil de detener que un TR en una sola célula. En el caso de que se produzca el enfriamiento de la espuma, el aumento de presión, incluso con tres células y una temperatura de activación de enfriamiento tardía, se mantendrá por debajo de 0,8 bares. Se trata de un aumento de presión realista contra el que se puede diseñar un compartimento. En resumen, es posible que el impacto de un TR sea manejable para un submarino siempre que se aplique una refrigeración o extinción correctas y una estructura de compartimento adecuada.

Conclusión

Para operar de forma encubierta con un submarino, su comandante quiere evitar que se apague. Las baterías de iones de litio tienen potencialmente una alta densidad energética, lo que las hace idóneas para aplicaciones submarinas. Sin embargo, habrá que tener en cuenta el riesgo de un posible escape térmico (TR), en el que la batería reacciona internamente y libera la energía almacenada en forma de calor y gases inflamables.

El estudio demuestra que el aumento de presión en el interior de un módulo puede alcanzar los 60 bares si los gases permanecen en su interior. Esto confirma la importancia de una válvula de alivio de presión para dispersar los gases y confinarlos en el compartimento de la batería, que entonces deja de estar disponible. Sin embargo, esto significa que hay que prestar atención al diseño del sistema de baterías. Distribuir los sistemas de baterías en más compartimentos proporciona cierta redundancia de baterías en caso de que se produzca un TR en un compartimento. Pero un compartimento más pequeño es más desventajoso debido a un aumento, potencialmente, más fuerte de la presión. Por lo tanto, el consejo de este estudio es: para un diseño seguro y redundante, los sistemas de baterías deben distribuirse en un número limitado de compartimentos. Además, es importante limitar el TR a una celda o a un número muy limitado de celdas y evitar la propagación a las celdas y módulos circundantes. El modelo muestra que es posible disipar suficiente calor para evitar la propagación de célula a célula. Aunque la espuma de extinción provoca un aumento adicional de la presión en un TR, es posible mitigar estos riesgos en el diseño, según muestra esta investigación.

En conclusión, se necesita más investigación para la aplicación segura de las baterías de iones de litio a bordo de los submarinos. En este sentido, la validación y verificación del modelo es crucial. Las pruebas físicas pueden captar mejor la probabilidad y las consecuencias de los TR. En cualquier caso, la relevancia operativa de una batería de iones de litio es enorme: puede duplicar su potencia de resistencia. Por consiguiente, las baterías de iones de litio pueden ser un factor decisivo en las operaciones de los submarinos expedicionarios.

LTZ3 (TD) T.H. (Tom) Wien se licenció en Sistemas y Tecnología Militar en la NLDA en 2022 con una tesis sobre el desbordamiento térmico en las baterías de iones de litio. Ahora estudia Ingeniería Mecánica en la Universidad Técnica de Delft.

El ingeniero N.H.D. (Niels) Gartner trabaja en DMO, como responsable de sistemas de baterías y sistemas HVAC. Se graduó en 2021 con su tesis doctoral sobre el comportamiento térmico de las baterías de iones de litio y sus implicaciones para el diseño de submarinos.

KTLZ (TD) El Dr. R.D. (Rinze) Geertsma es profesor asociado en NLDA e investigador visitante en TU Delft, donde se doctoró en 2019. Ha navegado a.o. como jefe técnico en Zr.Ms. De Ruyter y Zr.Ms. Tromp.

El profesor R.G. (Robert) van de Ketterij es catedrático de Ingeniería de Sistemas en la NLDA de Den Helder. Anteriormente ocupó diversos cargos en el campo del diseño y la investigación de embarcaciones complejas, especialmente para la industria de dragado y alta mar.

Ilustraciones

Figura 1: M. Ghiji, K. Moinuddin, V. Novozhilov, P. Joseph, "A Review of Lithium-Ion Battery Fire Suppression" (2020)

Figura 2: N.H.D. Gartner, "Thermal behaviour of lithium-ion bat-teries and the implications on submarine system design" (2021).

Figura 3: N.H.D. Gartner, "Thermal behaviour of lithium-ion bat-teries" (2021).

Figura 4: T.H. Wien, "Thermal runaway in lithium-ion batteries: investigating the development of heat and gases during a thermal runaway" (2022).

Figura 5: T.H. Wien, "Thermal runaway in lithium-ion batteries" (2022).

Figura 6: T.H. Wien, N.H.D. Gartner, R.D. Geertsma, R.G. van de Ketterij, "Risk mitigation for application of Li-ion batteries on submarines by modelling of heat and combustible gases deve-lopment during a thermal runaway" (2022).

Figura 7: T.H. Wien (et al), "Risk mitigation for application of Li-ion batteries" (2022).

Notas

1 D. Stapersma, C. Prins, "The importance of submarine air-independent power for operational agility", Actas de la conferencia INEC (2020). Zie: https://doi.org/10.24868/issn.2515-818X.2020.020

2 C. Prins, D. Stapersma, 'AIP for Ocean Going Submarines: off-the-shelf or promise', Actas de la conferencia INEC (2020). Zie: https://doi.org/10.24868/issn.2515-818X.2020.070

3 D. Stapersma y C. Prins. 'Is Air Independent Propulsion really what new submarines need?', en: Podcast 7 (2021). Véase: https://marineschepen.nl/podcast/podcast-s02e07-Air-Independent-Propulsion-is-dat-wel-iets-wat-de-nieuwe-onderzeeboten-nodig-hebben.html

4 'Battery Management for Large-Scale Energy Storage (Part 2)', en: Nuvation Energy (2022). Véase: https://www.nuvationenergy. com/resources/article/battery-management-large-scale-energy-storage-part2of4

5 T.H. Wien, N.H.D. Gartner, R.D. Geertsma, R.G. van de Ketterij, "Risk mitigation for application of Li-ion batteries on submarines by modelling of heat and combustible gases develop-ment during a thermal runaway" (2022).

6 T.H. Wien, "Thermal runaway in lithium-ion batteries: Investigation of heat and combustible gases develop-ment during a thermal runaway" (2022).

7 X. Feng, X. He, M. Ouyang, L. Lu, P. Wu, C. Kulp, S. Prasser, "Thermal runaway propagation model for designing a safer battery pack with 25 ah large format lithium-ion battery", Applied Energy 154 (2015), 74-91.

8 T.H. Wien, "Thermal runaway in lithium-ion batteries" (2022).

9 T.H. Wien, "Thermal runaway in lithium-ion batteries" (2022).

10 T.H. Wien (et al), 'Risk mitigation for application of Li-ion bat-teries' (2022).

LEA AQUÍ LA TESIS DE LICENCIATURA DE TOM WIEN

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LEA EL DOCUMENTO 2022 DEL INEC  AQUÍ:

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• Fuente:
• TOM WIEN, NIELS GARTNER, RINZE GEERTSMA & ROBERT VAN DE KETTERIJ. (n.d.). Thermal runaway bij lithium-ion batterijen. De KVMO komt op voor de belangen van marineofficieren van de Koninklijke Marine. Retrieved April 30, 2023, from https://www.kvmo.nl/