1. Qué pasó al dejar caer una bola de hierro sobre una batería para probar su seguridad
La prueba elegida por Yoshino fue muy simple: dejar caer una bola de hierro sobre la batería para ver qué pasaba [5]. Al probar primero una batería que usaba litio metálico, el metal se derramó y provocó un incendio. Por otro lado, la batería de iones de litio pasó la prueba y esto llevó a su comercialización, según relató Yoshino en una conferencia [5]. Él describe este suceso como el momento en que la batería de iones de litio realmente nació [5]. No fue una prueba de rendimiento, sino una prueba de que no se incendiara la que definió la batería. Entonces, ¿por qué los resultados fueron diferentes en dos baterías que llevan el nombre de litio?
Esta prueba de seguridad fue fundamental para el desarrollo de la tecnología.
2. Por qué se cambió el litio metálico, muy reactivo, por carbono en la batería
Las baterías originales de litio metálico eran demasiado reactivas. Como baterías recargables, eran propensas a explotar y no eran prácticas [6]. Por ello, Yoshino dejó de usar litio metálico reactivo en el electrodo negativo y optó por un material de carbono llamado coque de petróleo. Este material permite insertar y extraer iones de litio. Así, se logró una batería ligera que podía recargarse repetidamente [6]. Para entenderlo, el litio metálico sería como "llevar pólvora suelta", mientras que el carbono es como "una estantería para guardar la pólvora". Sin embargo, dentro de la batería real, el litio entra en forma de ion entre las capas de carbono. La analogía de la estantería es solo una comparación. ¿Se volvió segura la batería con esto? No del todo, porque aún quedaba un líquido inflamable dentro.
Cambiar el material redujo el riesgo, pero no eliminó la presencia de sustancias inflamables.
3. Por qué la batería aún puede arder: el electrolito es un líquido inflamable
Dentro de la batería hay un electrolito que conduce la electricidad. El electrolito es una sal de litio disuelta en un solvente orgánico, y este solvente orgánico tiene la propiedad de ser inflamable. El laboratorio de Yamada de la Universidad de Tokio explica que este es el mayor factor de riesgo en accidentes de incendio y explosión [1]. Quizás pienses: "¿Por qué no usar agua, que no arde?". Sin embargo, las soluciones acuosas normales se dividen en hidrógeno y oxígeno a un voltaje de aproximadamente 1,2 voltios [1]. Las baterías que funcionan a voltajes más altos no pueden usar agua como electrolito. Por eso, no había más opción que usar un líquido inflamable. Aun con líquido inflamable, normalmente no hay fuego. El problema surge solo cuando la temperatura comienza a subir por alguna causa.
El uso de agua está limitado por las reacciones químicas a voltajes bajos.
4. Qué es la fuga térmica: cuando el calor de la batería se vuelve incontrolable
Existe un fenómeno donde la temperatura de la batería se vuelve incontrolable. Se llama "fuga térmica". La norma japonesa JIS C 8715-2 lo define como una situación donde la generación de calor provoca más generación de calor (retroalimentación positiva), haciendo imposible controlar la temperatura [2]. Las causas incluyen cortocircuitos internos o externos, sobrecarga, sobredescarga y calentamiento externo [2]. Por ejemplo, en un cortocircuito interno, la electricidad fluye de golpe al electrodo negativo, este se calienta y el calor se transmite al electrodo positivo [3]. El calor de un componente específico provoca el calentamiento de otros, continuando la subida de temperatura [3]. Como referencia tras un cortocircuito, los artículos explicativos dan ejemplos: a unos 80 °C reaccionan los electrodos y el electrolito; a unos 140 °C el separador se deforma por el calor; a unos 200-300 °C se descomponen los materiales del electrodo positivo; y a temperaturas más altas puede superar los 1000 °C [4]. Pero estos son valores aproximados que varían según el tipo de batería, no son cifras fijas. ¿Hay alguna forma de detener la batería en medio de esta cadena?
El calor de una parte puede provocar más calentamiento.
5. Cómo el separador, una membrana con poros, cierra sus poros al calentarse
Dentro de la batería hay una membrana con muchos poros, hecha de polietileno o polipropileno, que separa el electrodo positivo del negativo. Esto es el separador [7]. Cuando ocurre un calentamiento anormal, los poros del separador se cierran y detienen la corriente. A este mecanismo de seguridad se le llama "shutdown" (corte) [7]. Cuando se calienta, los poros del separador se cierran y detienen la corriente. Los documentos explican que el shutdown funciona porque el polietileno se funde [7]. Sin embargo, la película sola no puede prevenir todo. La batería tiene otras capas de protección superpuestas.
El separador actúa como un interruptor automático activado por la temperatura.
6. Qué medidas de seguridad se usan para cada causa de inflamación de la batería
Las medidas de seguridad se diseñan para cada causa de inflamación [2]. Para cortocircuitos externos se usan circuitos de protección, fusibles y elementos PTC. Para sobrecargas o sobredescargas, actúan los circuitos de protección. Para cortocircuitos internos, se previene la entrada de cuerpos extraños durante la fabricación, se optimizan las inspecciones y se añaden tecnologías que resisten la fuga térmica incluso si hay cortocircuito [2]. En ejemplos de fabricantes, se usan chips IC que detienen la carga al estar llena y detectan sobredescarga, temperatura, cortocircuito y sobrecorriente, además de fusibles térmicos. Las baterías portátiles se prueban según la recomendación de la ONU (prueba UN38.3), que examina sobrecarga, cortocircuito, temperatura, vibración y altitud [8]. También hay ingenio en la fábrica: el electrolito teme a la humedad, por lo que las baterías se fabrican en "cuartos secos" con control de punto de rocío [2]. La seguridad depende de la combinación de materiales, circuitos, fabricación e inspección.
Ninguna medida es suficiente por sí sola; la seguridad es una suma de capas.
7. Investigación para reemplazar el electrolito inflamable por un líquido con agua
También hay investigaciones para reducir la inflamabilidad del electrolito en sí. El laboratorio de Yamada de la Universidad de Tokio encontró un líquido de sal de litio que contiene agua, llamado "melt de hidrato". Aunque las soluciones acuosas normales se descomponen a unos 1,2 voltios, el melt de hidrato no se descompone ni siquiera a más de 3 voltios, a pesar de contener agua [1]. Se anunció que, por primera vez, se logró hacer funcionar una batería de iones de litio usando este melt de hidrato como electrolito acuoso [1]. El laboratorio explica que se busca desarrollar nuevos electrolitos no inflamables y no tóxicos [1]. Sin embargo, esto es un resultado de investigación. Los electrolitos acuosos no se usan todavía en las baterías comerciales actuales.
El electrolito acuoso sigue siendo un resultado de investigación.
8. Cómo buscar baterías de iones de litio a tu alrededor y seguir investigando
Busca baterías recargables en casa. En los cuerpos o cajas de teléfonos inteligentes, baterías portátiles o auriculares inalámbricos, puede que esté escrito "iones de litio" o "Li-ion". Si los encuentras, solo míralos; no los desarmes ni los presiones fuertemente. Si quieres investigar más, se recomiendan los registros de las conferencias de Yoshino y los comunicados de prensa del laboratorio de Yamada [5][1]. Así podrás ver cómo la seguridad de las baterías se ha construido paso a paso mediante el ingenio humano.