Cómo se estropean las baterías: Comprender los modos de falla de las baterías

Las baterías se han convertido en componentes esenciales de nuestras infraestructuras, ya que proporcionan energía ininterrumpida a los centros de datos y facilitan la integración de las energías renovables en nuestras redes eléctricas. Ahora que dependemos de las baterías más que nunca, entender sus fallas no es un mero ejercicio académico, sino un conocimiento esencial para cualquier responsable de los sistemas de baterías.

Las consecuencias económicas de las fallas de las baterías son importantes. Cuando un sistema de baterías falla, las organizaciones no solo enfrentan los costos de reemplazo directos, sino también los costos indirectos relacionados con el tiempo de inactividad del sistema, los posibles daños a los equipos conectados y, en algunos casos, la pérdida de servicios fundamentales. Una hora de tiempo de inactividad en un centro de datos puede costar hasta un millón de dólares.

Con todo esto en mente, exploremos las principales formas en que las baterías pueden fallar.

Modos de falla de las baterías de ácido-plomo

Las baterías de ácido-plomo son uno de los tipos más comunes de baterías estacionarias. Si bien son confiables y comprendemos bien su funcionamiento, pueden fallar de varias 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, la sobrecarga y los ciclos excesivos. Aunque un cierto grado de corrosión de la rejilla es normal y de hecho está diseñado en las baterías, una corrosión excesiva puede acortar significativamente la vida de la batería y provocar lo siguiente:

• expansión física de las placas
• aumento de la resistencia interna
• reducción de la capacidad energética
• falla eventual de la batería

Sulfatación

Durante la descarga normal de una batería, los materiales activos de una batería de plomo-ácido (plomo y dióxido de plomo) reaccionan con ácido sulfúrico para formar sulfato de plomo. Se trata de un proceso natural y necesario. Sin embargo, hay una diferencia crucial entre el sulfato de plomo suave y normal que se forma durante la descarga regular y el problemático sulfato cristalino que puede desarrollarse en determinadas condiciones. La sulfatación se puede evitar en gran medida y normalmente es reversible, pero puede llegar a ser permanente si las baterías permanecen descargadas, cuando la carga es insuficiente o cuando se descuida el mantenimiento regular. Da como resultado:

• capacidad reducida 
• aumento de la resistencia interna
• daños físicos en las placas

Cortocircuitos internos

Los cortocircuitos internos suelen desarrollarse gradualmente y pueden ser difíciles de detectar hasta que se han producido daños importantes. A diferencia de los cortocircuitos externos, que suelen ser obvios, los internos actúan sin que se note en el interior de la batería, creando condiciones potencialmente peligrosas.

Los cortocircuitos internos en las baterías de plomo-ácido se dividen generalmente en dos categorías: cortocircuitos duros y cortocircuitos blandos. Los cortocircuitos duros suelen originarse por grumos de pasta causados por defectos de fabricación. Los cortocircuitos blandos son el resultado de descargas excesivamente profundas en las que la gravedad específica es tan baja que el plomo empieza a disolverse en el electrolito. Este plomo queda atrapado en los separadores, lo que provoca los cortocircuitos. Tanto los cortocircuitos duros como los blandos provocan lo siguiente:

• pérdida inmediata de capacidad
• generación excesiva de calor
• posible fuga térmica
• riesgo de incendio en casos graves
• liberación de gases peligrosos

Desecación (específica de las VRLA)

Aunque las baterías de ácido-plomo reguladas por válvula (VRLA, del inglés Valve Regulated Lead Acid) se desarrollaron para no necesitar mantenimiento, se enfrentan a un reto único: la desecación. A diferencia de sus homólogas inundadas, una vez que una batería VRLA pierde su electrolito, no hay forma de reponerlo. Esto hace que la desecación sea uno de los modos de falla más insidiosos.

Las baterías VRLA pueden perder electrolito por calor excesivo, sobrecarga, ventilación deficiente o tensión de carga inadecuada. La pérdida de electrolito provoca lo siguiente:

• aumento de la impedancia interna
• capacidad reducida
• temperatura de funcionamiento más alta
• disminución de la eficiencia
• pérdida de contacto entre placa y electrolito
• envejecimiento acelerado
• posible fuga térmica
• reducción del tiempo de respaldo
• rendimiento poco confiable
• aumento de los costos de operación
• falla prematura

Fuga térmica (específica de las VRLA)

La fuga térmica es un modo de falla dramático y peligroso que puede ocurrir con cualquier tipo de batería. En las baterías de plomo-ácido es más común en los tipos VRLA que en los VLA.  A diferencia de otros modos de falla que se desarrollan gradualmente, la fuga térmica puede escalar rápido, llevando potencialmente a una falla catastrófica en cuestión de horas. La fuga térmica es un proceso que se refuerza a sí mismo en el que el calor y la corriente se alimentan mutuamente en una peligrosa espiral en la que la batería se calienta y pasa más corriente, lo que genera más calor, por lo que la batería pasa aún más corriente, y el ciclo continúa hasta que se produce la falla.

La detección precoz, basada en estos criterios, es crucial para evitar fallas catastróficas:

• alta temperatura
• menor resistencia 
• aumento de la corriente 
• generación de gas superior a la tasa de recombinación
• aumento de la presión que fuerza la ventilación
• pérdida de electrolito 

Modos de falla de las baterías de iones de litio

Las baterías de iones de litio han revolucionado el almacenamiento de energía, pero tienen sus propios modos de falla.

Acumulación de la capa de SEI

La capa de la interfaz del electrolito sólido (SEI, del inglés Solid Electrolyte Interface) es esencial para el funcionamiento de una batería de iones de litio, pero, durante la vida útil de la batería, su grosor aumenta con el tiempo a un ritmo en el que influyen múltiples factores. El crecimiento de la capa SEI tiene implicaciones directas en la impedancia de la batería:

• aumento progresivo de la impedancia
• caída de tensión más alta bajo carga
• capacidad de corriente máxima reducida
• aumento del calentamiento durante la operación

Formación de capas de litio

La formación de capas de litio es uno de los modos de falla más graves en las baterías de iones de litio y puede provocar fallas catastróficas. A diferencia de los mecanismos de degradación progresiva, la formación de placas de litio puede crear riesgos de seguridad inmediatos, por lo que se requiere una gestión cuidadosa para evitarla. Cuando la batería funciona con normalidad, los iones de litio se intercalan (se insertan) en la estructura de grafito del ánodo durante la carga. Sin embargo, en determinadas condiciones, los iones se acumulan en la superficie del ánodo y se forman depósitos metálicos de litio. Con el tiempo, crecen dendritas y la estructura se vuelve inestable.

Las capas de litio plantean graves problemas de seguridad:

• cortocircuitos internos
• potencial de fuga térmica
• posibilidad de ruptura de las celdas
• degradación de la capacidad
• aumento de la resistencia interna
• envejecimiento acelerado
• desequilibrio de las celdas
• posible peligro de incendio

Envejecimiento no uniforme

Muchos procesos de envejecimiento de las baterías suelen considerarse uniformes en toda la celda, pero la realidad suele ser más compleja. El envejecimiento no uniforme se produce cuando distintas partes de la celda envejecen a ritmos diferentes, creando puntos débiles localizados que pueden afectar significativamente el rendimiento y la seguridad. Puede dar como resultado:

• capacidad total reducida
• aumento de la resistencia interna
• distribución de corriente desigual
• respuesta de tensión variable

Fallas de BMS

El sistema de gestión de baterías (BMS, del inglés Battery Management System) es la inteligencia fundamental que hace que las baterías de iones de litio funcionen de forma segura y eficiente. Cuando el BMS falla, puede comprometer tanto el rendimiento como la seguridad de la batería, por lo que es crucial comprender estas fallas. Las fallas del BMS pueden manifestarse de varias formas, como problemas de hardware, software o calibración.

Las fallas del BMS pueden tener graves consecuencias para la seguridad:

• riesgo de sobrecarga
• potencial de descarga excesiva
• falla del control de temperatura
• fallas del límite actual
• falta de advertencias esenciales
• retraso en la respuesta de apagado
• desconexión de emergencia fallida
• manejo térmico inadecuado
• desequilibrio de las celdas
• fuga térmica 
• estrés excesivo en las celdas
• envejecimiento acelerado

Problemas de las cadenas de baterías

Además de las fallas individuales de las baterías, las cadenas de baterías son susceptibles a otro modo de falla importante: la degradación de las conexiones entre celdas si no se mantienen adecuadamente. Esta degradación se debe a múltiples factores, como la corrosión, las vibraciones y los cambios repetidos de temperatura. A medida que las conexiones se degradan, aumenta su resistencia. Esto puede pasar desapercibido cuando la cadena está pasando solo una pequeña corriente de flotación, pero cuando se le pide que suministre una corriente mayor, el aumento de la resistencia de las conexiones puede provocar un calentamiento excesivo que, en algunos casos, crea un riesgo de incendio. 

Las conexiones entre celdas suelen ser el eslabón más débil de una cadena de baterías, y su falla puede tener graves consecuencias:

• alta resistencia
• aumento del calor
• capacidad reducida
• desequilibrios de tensión

Pruebas y prevención: la mejor defensa contra las fallas de las baterías

Comprender los modos de falla es crucial, pero prevenirlas mediante pruebas y un mantenimiento adecuados es aún más importante. El mantenimiento adecuado y las pruebas periódicas con el equipo adecuado no son solo una buena práctica; son esenciales para lo siguiente:

• garantizar la confiabilidad del sistema
• proteger las inversiones
• mantener la seguridad
• cumplir las obligaciones
• optimizar el rendimiento

En un próximo artículo trataremos con más detalle los enfoques de las pruebas y el mantenimiento.

Conclusión

Como hemos visto, las baterías pueden fallar de numerosas formas, desde la degradación gradual de las rejillas positivas en las baterías de plomo-ácido hasta la potencialmente peligrosa formación de placas de litio en los sistemas de iones de litio. Comprender estos modos de falla no es solo una preocupación académica: se trata de proteger infraestructuras fundamentales, garantizar la continuidad de las actividades y mantener la seguridad.

Algunos modos de falla, como la sulfatación o la acumulación de capas en la SEI, actúan de forma lenta y constante, minando gradualmente el rendimiento de la batería. Otros, como la fuga térmica o los cortocircuitos internos, pueden producirse rápida y drásticamente. Pero todos comparten una característica crucial: dan señales de alarma antes de provocar una falla catastrófica.

Por eso son tan importantes las pruebas y el mantenimiento periódicos. El costo de aplicar programas adecuados de pruebas y mantenimiento es mínimo en comparación con las posibles consecuencias de una falla de la batería, consecuencias que pueden ir desde costosas sustituciones y tiempos de inactividad del sistema hasta graves incidentes de seguridad.

En nuestro próximo artículo, analizaremos cómo detectar las señales de advertencia mediante pruebas y mantenimiento adecuados. Saber cómo fallan las baterías es solo el primer paso; saber cómo prevenir la falla es aún más importante.