Cómo se estropean las baterías: los distintos modos de avería
Las baterías se han convertido en componentes esenciales de nuestra infraestructura; suministran energía ininterrumpida a los centros de datos y facilitan la integración de energía renovable en nuestras redes eléctricas. Hoy en día, que dependemos más que nunca de las baterías, conocer las averías que se producen en ellas no es un mero ejercicio investigador, sino conocimiento esencial para cualquier persona al cargo de estos sistemas.
Las consecuencias económicas de las averías de las baterías son notables. Cuando un sistema de baterías se avería, las empresas no solo tienen que hacer frente a los costes de sustituirlas directamente, sino también a los indirectos relacionados con el tiempo de inactividad del sistema, los posibles deterioros producidos en los equipos conectados y, en algunos casos, la pérdida de servicios esenciales. Una hora de tiempo de inactividad en un centro de datos puede costar hasta 1 millón de dólares estadounidenses.
Teniendo todo esto en cuenta, analizaremos las principales formas de las que pueden averiarse las baterías.
Modos de avería de las baterías de plomo-ácido
El de plomo-ácido es uno de los tipos de baterías estacionarias más habituales. Si bien son fiables y se dispone de abundante información sobre ellas, pueden averiarse de distintas maneras.
Corrosión de la rejilla positiva
La corrosión de la rejilla positiva es un proceso químico en el que la aleación de plomo que forma la rejilla positiva de la batería se convierte gradualmente en óxido de plomo. Este proceso se acelera con las altas temperaturas, las sobrecargas y los ciclos de funcionamiento excesivos. Aunque un cierto grado de corrosión de la red es normal e incluso integrado por diseño en las baterías, una corrosión excesiva puede acortar significativamente la vida útil de estas, lo que conlleva las siguientes consecuencias:
- Expansión física de las láminas
- Mayor resistencia interna
- Pérdida de la capacidad de alimentación
- En última instancia, avería de la batería
La sulfatación
Durante la descarga normal de una batería de plomo-ácido, los materiales activos contenidos en esta (plomo y dióxido de plomo) reaccionan con ácido sulfúrico para formar sulfato de plomo, en un proceso natural y necesario. No obstante, existe una diferencia crucial entre el sulfato de plomo normal suave formado durante la descarga regular y el sulfato cristalino problemático que se puede desarrollar en ciertas condiciones. La sulfatación se puede prevenir en gran medida y suele ser reversible, pero puede volverse permanente si las baterías permanecen en estado de descarga, si la carga es insuficiente o si no se lleva a cabo el debido mantenimiento periódico. Las consecuencias de esto son las siguientes:
- Capacidad reducida
- Mayor resistencia interna
- Deterioro físico de las láminas
Cortocircuitos internos
Los cortocircuitos internos a menudo se desarrollan gradualmente y pueden ser difíciles de detectar hasta que se produzca algún deterioro de relevancia. A diferencia de los externos, que suelen ser obvios, los cortocircuitos internos se desarrollan "en silencio" en el interior de la batería, lo que puede dar pie a situaciones peligrosas.
Los cortocircuitos internos en las baterías de plomo-ácido se suelen dividir en dos categorías: "duros" y "blandos". Los cortocircuitos "duros" suelen ser causados por bultos de pasta que se producen como consecuencia de defectos de fabricación. Los denominados "blandos" son el resultado de descargas excesivas, en las que la gravedad específica se vuelve tan baja que el plomo comienza a disolverse en el electrolito. Este plomo queda atrapado en los separadores, con lo que se producen los cortocircuitos. Los cortocircuitos, tanto los duros como los blandos, tienen estas consecuencias:
- Pérdida de capacidad inmediata
- Generación excesiva de calor
- Posible desviación térmica
- Peligro de incendio en casos graves
- Expulsión de gases peligrosos
Secado (específico de las VRLA)
Aunque las baterías de plomo y ácido con válvula (VRLA) se diseñaron para tener escasas necesidades de mantenimiento, presentan una dificultad propia y exclusiva: se secan. A diferencia de las inundadas, una vez que una batería VRLA pierde su electrolito no hay manera de reponerlo. Esto hace que el del secado sea uno de los modos de avería más insidiosos.
Las baterías de tipo VRLA pueden perder electrolito por calor excesivo, sobrecarga, ventilación insuficiente o tensión de carga inadecuada. La pérdida de electrolitos produce:
- Aumento de la impedancia interna
- Capacidad reducida
- Incremento de la temperatura de funcionamiento
- Disminución de la eficiencia
- Pérdida de contacto entre la lámina y el electrolito
- Envejecimiento acelerado
- Posible desviación térmica
- Reducción del tiempo de alimentación auxiliar
- Empeoramiento del rendimiento
- Aumento de los costes de funcionamiento
- Averías prematuras
Desviación térmica (específica de las VRLA)
La desviación térmica es un modo de avería catastrófico y peligroso que puede producirse en baterías de cualquier tipo. En las baterías de ácido de plomo es más común en los tipos VRLA que en los VLA. A diferencia de otros modos de avería que se desarrollan gradualmente, la desviación térmica puede agravarse rápidamente y producir una avería desastrosa en cuestión de horas. El de desviación térmica es un proceso autorreforzante en el que el calor y la corriente se alimentan el uno al otro en una escalada peligrosa por la batería se calienta y se incrementa el paso de corriente. Se genera aún más calor, por lo que la batería pasa aún más corriente y el ciclo continúa hasta que se produce la avería.
La detección temprana conforme a estos criterios es crucial para prevenir averías con consecuencias calamitosas:
- Temperatura elevada
- Menor resistencia
- Aumento de la corriente
- Generación de gas que supera la tasa de recombinación
- Acumulación de presión y la consiguiente ventilación forzada
- Pérdida de electrolito
Modos de avería de las baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio revolucionaron el almacenamiento de energía, pero presentan sus propios modos de avería.
Acumulación de la capa de SEI
La capa de interfase de electrolitos sólidos (SEI) es esencial para el funcionamiento de una batería de iones de litio. No obstante, a lo largo de la vida útil de esta, el espesor aumenta con el tiempo, a una velocidad influida por diferentes factores. El crecimiento de la capa de SEI tiene implicaciones directas para la impedancia de la batería:
- Aumento progresivo de la impedancia
- Caída de tensión más alta cuando hay carga
- Capacidad de corriente máxima reducida
- Aumento del calentamiento durante el funcionamiento
Galvanización de litio
La galvanización de litio es uno de los modos de avería más graves en las baterías de iones de litio, que puede provocar averías catastróficas. A diferencia de los mecanismos de deterioro graduales, la galvanización de litio puede provocar peligros inmediatos para la seguridad y es necesaria una gestión cuidadosa para impedirlo. En el funcionamiento normal de la batería, los iones de litio se intercalan (se insertan por sí mismos) en la estructura de grafito del ánodo durante la carga. Sin embargo, en ciertas condiciones, se acumulan iones en la superficie del ánodo y se forman depósitos de litio metálico. Por último, se forman dendritas y la estructura se vuelve inestable.
La galvanización de litio supone problemas serios para la seguridad:
- Cortocircuitos internos
- Posibilidad de desviación térmica
- Posibilidad de ruptura de las celdas
- Empeoramiento de la capacidad
- Mayor resistencia interna
- Envejecimiento acelerado
- Desequilibrio entre celdas
- Posible peligro de incendio
Envejecimiento no uniforme
Suele pensarse que muchos procesos de envejecimiento de la batería se producen de manera uniforme en toda la celda, pero la realidad suele ser más compleja. Se produce envejecimiento no uniforme cuando diferentes partes de las celdas envejecen a diferentes velocidades, con lo que se generan debilidades puntuales que pueden empeorar el rendimiento y la seguridad notablemente. Las consecuencias pueden ser las siguientes:
- Reducción de la capacidad total
- Mayor resistencia interna
- Distribución desigual de la corriente
- Respuesta de tensión variable
Averías del BMS
El sistema de gestión de la batería (BMS) es la lógica esencial que permite que las baterías de iones de litio funcionen en las debidas condiciones de seguridad y de forma eficiente. Si el BMS sufre averías, el rendimiento y la seguridad de la batería pueden verse afectados, por lo que es fundamental conocerlas. Las averías del BMS se pueden manifestar de diversas maneras, como problemas de hardware, software o calibración.
Los problemas de estos sistemas pueden tener consecuencias graves para la seguridad:
- Peligro de sobrecarga
- Posibilidad de exceso de descarga
- Avería del control de temperatura
- Averías derivadas del límite de corriente
- Falta de advertencias críticas
- Retardo en la respuesta de apagado
- Errores de desconexión de emergencia
- Una gestión térmica inadecuada
- Desequilibrio entre celdas
- Desviación térmica
- Tensión excesiva en las celdas
- Envejecimiento acelerado
Problemas con la cadena de baterías
Además de las averías en baterías aisladas, las cadenas de baterías son susceptibles de sufrir otro modo de avería importante: el deterioro de las conexiones entre celdas si no se llevan a cabo las debidas labores de mantenimiento. Este deterioro se debe a varios factores, entre los que se encuentran la corrosión, las vibraciones y los cambios reiterados de temperatura. El deterioro de las conexiones va incrementando su resistencia. Es posible que no se observe este fenómeno cuando por la cadena pase solamente una pequeña cantidad de corriente de carga; no obstante, cuando se le demanda un paso de corriente más elevado, la corriente de las conexiones, que ha aumentado, puede provocar un calentamiento excesivo que, a su vez, puede suponer peligro de incendio en determinadas situaciones.
Las conexiones entre celdas suelen ser el eslabón más débil de una cadena de baterías y, de averiarse, las consecuencias pueden ser graves:
- Resistencia elevada
- Aumento del calor
- Capacidad reducida
- Desequilibrios de tensión
Comprobaciones y prevención: la mejor defensa contra las averías de las baterías
Conocer los modos de avería es fundamental, pero evitar que se produzcan gracias a comprobaciones y trabajos de mantenimiento es aún más importante. El mantenimiento adecuado y las comprobaciones periódicas con el equipo adecuado no son solo buenas prácticas, sino que son esenciales para lograr los siguientes fines:
- Garantizar la fiabilidad del sistema
- Proteger las inversiones
- Salvaguardar la seguridad
- Cumplir con las obligaciones normativas pertinentes
- Optimizar el rendimiento
En una publicación futura trataremos con más detalle los métodos de medición y mantenimiento.
Conclusión
Como hemos visto, las baterías pueden averiarse de muchas formas, desde la degradación gradual de las rejillas positivas de las de plomo-ácido hasta la galvanización del litio, con el peligro potencial, en los sistemas de iones de este metal. Conocer estos tipos de avería no es meramente cuestión científica, sino también de la protección de estructuras esenciales, la garantía de la continuidad de las actividades de una empresa y la preservación de la seguridad.
Las averías de ciertos tipos (como la acumulación de capas de sulfatación o interfase de electrolito sólido [ISE]) actúan de forma lenta y continuada, lo que empeora el rendimiento de la batería gradualmente. Otros, como el sobrecalentamiento térmico y los cortocircuitos internos, pueden atacar de forma rápida y drástica. No obstante, todos ellos comparten una característica crucial: dan señales de advertencia antes de provocar una avería catastrófica,
y es por ello mismo que las mediciones y el mantenimiento periódicos son tan importantes. El coste de la puesta en práctica de programas de medición y mantenimiento adecuados es mínimo en comparación con las posibles consecuencias que suponen la avería de las baterías, consecuencias que pueden variar desde costosas sustituciones y tiempo de inactividad de los sistemas hasta incidentes de seguridad graves.
En nuestra próxima publicación, conoceremos cómo detectar indicios de advertencia mediante la realización de las debidas labores de medición y mantenimiento. Saber cómo se averían las baterías es solo el primer paso: conocer cómo evitarlas es cuestión aún más importante.
