Como ya adelantamos en un artículo anterior, en CIC energiGUNE somos expertos en envejecimiento y análisis post-mortem de diferentes sistemas de almacenamiento electroquímico de energía; por eso nos gusta hacernos llamar el CSI de las baterías.

¿Por qué CSI (Crime Science Investigation)?

Porque nos encargamos de encontrar los mecanismos de fallo y elucidar cuáles han sido las causas que han provocado el malfuncionamiento y/o la muerte prematura de la batería.

En algunas ocasiones, estos fallos vienen acompañados de efectos secundarios indeseados que comprometen la seguridad del usuario y su entorno, como escapes de gases nocivos o igniciones espontáneas. Por eso es tan importante relacionar los procesos de degradación con el estado de salud actual de las baterías, con el fin de efectuar un mantenimiento preventivo que nos alerte con antelación de los posibles fallos y sus consecuencias.

El estado de salud de una batería (SoH)

El estado de salud de una batería (SoH) en un momento determinado se mide como la capacidad de descarga (Ah) en ese momento con respecto a la capacidad de descarga inicial; y se indica mediante el porcentaje correspondiente.

En este sentido, el SoH depende en gran medida de las condiciones de utilización de la batería durante su vida útil, principalmente temperatura, profundidad de descarga y corriente de descarga.

Las variaciones en estos tres parámetros provocan reacciones químicas y/o procesos mecánicos de degradación a nivel de celda en materiales y electrodos, que se manifiestan como una reducción en la capacidad de descarga y un aumento en la resistencia eléctrica. Estos mecanismos de degradación llevan al fallo de la batería que se puede originar tras procesos de evolución graduales y relativamente largos, eventos catastróficos instantáneos, o una combinación de ambos.

El conocimiento al detalle de los posibles modos de fallo permite diseñar con antelación la estrategia de gestión de la batería para alargar su vida y optimizar su funcionamiento. En el CIC energiGUNE conseguimos este importante hito relacionando las condiciones de ciclado (utilización) de la batería con los análisis post-mortem.

Para ello, se realizan ensayos y caracterizaciones electroquímicas cuyos resultados se integran en modelos avanzados multimodales basados en la electroquímica física del sistema. Así, es posible por ejemplo estimar el SoH de las baterías a partir de los datos in-operando de la medida de la impedancia de la batería.

Análisis post-mortem

Con el objeto de validar y optimizar estos modelos, se realizan análisis post-mortem que comienzan con el desensamblado e inspección visual de la batería y sus componentes bajo procedimientos estandarizados de seguridad y tratamiento de materiales.

Seguidamente, se llevan a cabo estudios físico-químicos y morfológicos con el objeto de caracterizar en detalle la composición y estructura de electrodos y electrolitos, así como las superficies de contacto entre ellos. Se detectan de esta manera impurezas, deterioros intrínsecos y extrínsecos de materiales, productos y compuestos de deshecho que se hayan originado mediante reacciones y/o procesos de degradación no deseados.

Finalmente, en colaboración con nuestra empresa spin-off BCARE, estos modos de fallo identificados mediante el análisis post-mortem se implementan como retroalimentación en los modelos de diagnóstico predictivo que servirán para realizar predicciones de la vida del servicio, evitar fallos prematuros, reducir costes de mantenimiento y alargar el tiempo de utilización del sistema en general.

Análisis ante-mortem

Complementando lo anterior, los análisis ante-mortem nos permiten proporcionar una evaluación completa de celdas comerciales utilizando una combinación de herramientas analíticas convencionales, y otras avanzadas no destructivas.

En este sentido, damos apoyo, como expertos neutrales de tercera parte, a integradores, usuarios y socios industriales para optimizar su proceso de decisión en base a análisis exhaustivos de la calidad de los componentes y del ensamblado de diferentes tipologías de baterías y supercondensadores.

Mediante estos análisis podemos identificar, por ejemplo, fallos o errores en los procesos de fabricación como la existencia de capas o adhesivos protectores que no han sido eliminados antes de seguir con el proceso de ensamblado, soldaduras defectuosas entre celdas, o colectores de corriente que no están en contacto con los electrodos.

La combinación de los resultados extraídos conjuntamente de los análisis ante-mortem y post-mortem nos permite proponer soluciones dirigidas a cumplir los requisitos técnicos y de mercado, ayudando a aumentar la ciclabilidad, durabilidad y seguridad de las celdas.

Durante nuestro recorrido, hemos realizado ensayos ante-mortem y post-mortem para diversas compañías que trabajan en diferentes sectores de industrialización tanto a nivel de aplicaciones estacionarias como de movilidad. Desde empresas vascas como IBERDROLA, CAF , BCARE, ZIGOR, o CEGASA, hasta grandes multinacionales como AEG, SKELETON o VOLVO.

En todos los casos hemos aportado valor en sus procesos de decisión tecnológica e integración operativa de diferentes sistemas de almacenamiento en aplicaciones objetivo mediante la identificación de procesos y componentes críticos que deberían ser optimizados antes de su implementación comercial.

Como ejemplos significativos, los modos de fallo más comunes encontrados en baterías de plomo se corresponden con la estratificación del electrolito, corrosión en el colector positivo, pérdida de agua y errores en el ensamblaje de los componentes.

Con respecto a baterías ion litio con cátodo de hierro fosfato (LiFePO4), se han identificado fallos correspondientes al depósito de litio en los electrodos, descomposición de sales del electrolito sobre el ánodo y cambios estructurales en los materiales activos.

Soluciones para el mercado del almacenamiento de energía

En conjunto, CIC energiGUNE ofrece soluciones particularizadas dirigidas a fabricantes, integradores y usuarios de sistemas de almacenamiento de energía que quieran o necesiten analizar los mecanismos de fallo de una batería determinada, requieran asesoramiento en la elección de los componentes más adecuados para su aplicación en función de la tecnología, la propia química y los proveedores, o necesiten mejorar u optimizar el proceso de fabricación de celdas y baterías.

Una herramienta única e imprescindible para seguir avanzando con paso firme hacia la tan anhelada transición energética que pivota en los sistemas de almacenamiento electroquímico en general y en las baterías en particular, como palanca de cambio clave hacia la descarbonización del transporte y la generación sostenible basada en energías renovables.

Todo ello ha de culminar en una sociedad más ecológica, con procesos productivos libres de emisiones contaminantes, y donde el cuidado del medio ambiente sea un factor clave que no limite el modelo de crecimiento del país.