Una nueva medida para la tasa de eliminación de calor de los paquetes de baterías ofrece a los fabricantes una forma sencilla de comparar productos.
Las baterías de iones de litio se calientan y es difícil mantenerlas frías. La industria ha prestado muy poca atención a este problema durante la última década. El enfoque ha estado en otra parte: en reducir costos y aumentar la cantidad de energía que puede almacenar una sola celda en una batería (densidad de energía). Esta estrategia, por ejemplo, ha aumentado la longevidad y las capacidades de los teléfonos móviles. Las aplicaciones futuras, como los vehículos eléctricos y las redes inteligentes, necesitan miles de celdas en una batería. Estos son propensos al sobrecalentamiento.
Los fabricantes de paquetes de baterías grandes y de alta energía deben diseñar sistemas complicados para controlar el calor. El paquete de baterías en el automóvil Modelo 3 del fabricante de vehículos eléctricos Tesla, por ejemplo, tiene más energía que 6,000 teléfonos iPhone 11. El líquido refrigerante se bombea a través de una red de canales para alejar el calor de las células individuales. Pero estas complejas adiciones hacen que la batería sea pesada y agote su energía. Los desarrolladores están perdiendo tiempo y dinero en estos diseños ineficientes. Las estrategias de eliminación de calor deben mejorarse para que los paquetes de baterías sean ligeros y potentes.
¿Por qué esta falta de atención? Una razón es que no hay una forma estándar de juzgar el rendimiento térmico de los paquetes de baterías. Los fabricantes de células individuales compiten persiguiendo una densidad energética cada vez mayor. Sus hojas de especificaciones del producto no cubren lo fácil que es eliminar el calor de una celda. Los diseñadores de paquetes de baterías no pueden saber de antemano cuánto calor generará una sola celda. Se enteran demasiado tarde, después de invertir tiempo y dinero en un diseño.
Se espera que la industria de las baterías de iones de litio se triplique en la próxima década. Se necesita con urgencia un cambio radical en la gestión térmica. Se puede lograr rápidamente utilizando tecnología probada.
El primer paso es que la industria de baterías informe periódicamente sobre la gestión térmica. Hemos desarrollado una métrica de rendimiento estandarizada para este propósito. Compara diferentes celdas electroquímicas y puede medirse utilizando equipos que están disponibles en laboratorios de baterías. La inclusión de esta métrica en cada hoja de especificaciones de la batería generaría competencia y, por lo tanto, conduciría a mejoras en los diseños de celda única y el rendimiento del paquete de baterías.
Gestión térmica
Las principales compañías automotrices están invirtiendo fuertemente en el desarrollo de mejores paquetes de baterías. BMW solo ha invertido US $ 230 millones en su centro de investigación de baterías, que abrió el año pasado cerca de Munich en Alemania (ver go.nature.com/2asxytj ). Cada compañía está utilizando un diseño de celda diferente y está siguiendo su propia estrategia de enfriamiento.
En términos generales, hay tres tipos de sistemas de gestión térmica:
Aire acondicionado. En las baterías de los modelos de automóviles Renault ZOE y Nissan LEAF, se sopla aire sobre la superficie para eliminar el calor. Este método podría ser suficiente para el almacenamiento de energía estacionaria, como las baterías que alimentan los hogares, pero elimina el calor a una velocidad baja. Los paquetes de baterías de futuros vehículos eléctricos, el transporte de larga distancia y los vehículos todoterreno de servicio pesado requerirán que el calor se elimine más rápido a medida que su rendimiento mejore año tras año.
Enfriamiento liquido. Un cierto volumen de líquido tiene la capacidad de eliminar el calor aproximadamente 1,000 veces mejor que el mismo volumen de aire 5 . Las células pueden sumergirse en un fluido que fluye o enfriarse indirectamente por un líquido que fluye a través de canales envueltos alrededor de la célula. La inmersión es más efectiva, pero se necesitan líquidos dieléctricos costosos para reducir el riesgo de cortocircuito en la batería. Por lo tanto, los vehículos eléctricos tienden a usar el método del canal de enfriamiento. Tesla envuelve tubos que contienen propilenglicol líquido alrededor de sus células cilíndricas 6 . Tanto los métodos de inmersión como los de canal de enfriamiento agotan la energía debido a la necesidad de bombear el refrigerante alrededor de la batería lo suficientemente rápido.
Refrigeración por cambio de fase. Algunos materiales, como los fluidos Novec fabricados por la compañía tecnológica estadounidense 3M, están diseñados para absorber el calor cuando cambian de fase, de sólido a líquido o de líquido a gas, sin calentarse. Las células pueden sumergirse o recubrirse con dichos materiales para absorber el calor. Este método es objeto de una investigación considerable, ya que utiliza menos energía y extrae el calor de manera más uniforme que el enfriamiento por aire o líquido 7 . Sin embargo, hay una limitación fundamental. Los materiales de cambio de fase no canalizan el calor; simplemente lo almacenan. Por lo tanto, todos los diseños de cambio de fase requieren un sistema de enfriamiento adicional para eliminar el calor de la batería.
Desafío de diseño
Los diseñadores deben elegir el mejor método de enfriamiento para su aplicación e implementarlo correctamente. Si no lo hacen, la batería será ineficiente, suministrará menos energía útil y se degradará más rápido. Elegir la región de una célula para enfriar es la decisión más difícil.
Todas las células están formadas por capas de diferentes materiales: electrodos, un electrolito, un separador y colectores de corriente. Las capas se pueden encajar juntas, ya que están en celdas de bolsa, o enroscadas en un ‘rollo de gelatina’, como en celdas cilíndricas y prismáticas (ver ‘Keep it cool’).
La corriente eléctrica fluye dentro y fuera de la celda a través de colectores de corriente, que se unen a los terminales positivos y negativos de la celda, o ‘pestañas’. Los colectores actuales están hechos de metales que conducen el calor muy fácilmente. Pero el calor se transfiere lentamente entre las capas de la celda, porque los electrodos, el electrolito y el separador son aislantes térmicos. En otras palabras, la transferencia de calor paralela a las capas es más rápida que la transferencia de calor a través de ellas.
El rendimiento electroquímico de una célula es sensible a la temperatura; a altas temperaturas, la resistencia al flujo de corriente es mucho menor. Por lo tanto, para que la celda sea efectiva y estable, cada capa debe exponerse a condiciones térmicas idénticas. Un gradiente de temperatura entre una capa y la siguiente significa que cada una opera de manera ligeramente diferente. Se puede tomar menos energía de la célula porque la capa más caliente se queda sin energía más rápidamente; queda algo de energía en la capa más fría. La célula se degrada más rápidamente cuando cada capa se expone a diferentes velocidades de flujo de corriente.
Condiciones térmicas idénticas son posibles solo cuando el calor se elimina a la misma velocidad de cada capa. El enfriamiento de la superficie no puede lograr esto, porque crea un gradiente de temperatura.
Eliminar el calor a través de las pestañas, que están conectadas a cada capa, puede enfriar toda la celda de manera uniforme. Desafortunadamente, el enfriamiento por tabulación no es posible en las células de iones de litio de hoy. Las pestañas a menudo están demasiado juntas entre sí y son demasiado pequeñas y delgadas para eliminar suficiente calor de cada capa. Como resultado, las células que se enfrían a través de sus pestañas aún pueden calentarse peligrosamente.
Métrica clave
El mayor problema es más mundano. No existe una medida de rendimiento térmico para las células electroquímicas que sea fácilmente reproducible en cualquier parte del mundo, y que no revele información comercialmente sensible sobre cómo se diseña o fabrica una célula.
No existe un método bueno o universal para medir el rendimiento térmico de la celda en la industria de las baterías. Los especialistas en transferencia de calor prefieren el número de Biot, que describe la capacidad del cuerpo para pasar y disipar el calor. Los ingenieros mecánicos prefieren definiciones de conductancia térmica y conductividad térmica; Estos definen la tasa de transferencia de calor que se puede lograr a través de un material para un gradiente de temperatura dado.
Ninguno de estos métodos puede calcular el gradiente de temperatura a través de una celda cuando está en funcionamiento, porque las celdas electroquímicas generan su propio calor en todo su volumen. Si no se conoce el gradiente de temperatura en una celda, es imposible diseñar un sistema de gestión térmica para un paquete de baterías que contiene 1,000 celdas.
Hemos desarrollado una métrica llamada coeficiente de enfriamiento de la celda. Se puede usar para describir el gradiente de temperatura a través de una celda en operación en vatios por kelvin (W K –1 ). Una celda tendrá un valor diferente para el enfriamiento de la superficie y para el enfriamiento con pestañas, porque cada método da como resultado un gradiente de temperatura diferente. Tal coeficiente le diría a un diseñador lo difícil que será manejar el calor en las celdas seleccionadas en un paquete.
Nuestro coeficiente de enfriamiento es fácil de medir en el laboratorio. Los investigadores pueden crear calor electroquímico en una celda y luego determinar el gradiente de temperatura a través de ella utilizando sensores de temperatura. La pérdida de calor de la celda se puede medir utilizando sensores de flujo de calor. Para el enfriamiento de la superficie, donde un lado de la celda se enfría y el otro permanece caliente, el coeficiente de enfriamiento de la celda podría calcularse dividiendo la tasa de pérdida de calor por el gradiente de temperatura del lado caliente al lado frío.
Es deseable un coeficiente de enfriamiento de celda grande. Significa que se puede eliminar más calor y que hay un pequeño gradiente de temperatura dentro de la celda. De las celdas que hemos investigado, las celdas de bolsa grandes, como las del Nissan LEAF, parecen funcionar mejor y tienen un coeficiente de enfriamiento de celdas cercano a 5 W K –1 (ref. 9). Las células cilíndricas pequeñas, como las del Tesla Model 3, tienen un rendimiento inferior, con un coeficiente de enfriamiento de la célula de menos de 0.5 W K –1 (resultados no publicados).
Algunos fabricantes de celdas podrían oponerse al uso de métricas de rendimiento térmico si sus productos tienen un rendimiento pobre en comparación con los de sus competidores. Algunos objetarán que agregar otra variable complicará los protocolos para optimizar los diseños de celdas, agregando tiempo y costos. Pero estimamos que esto debería tomar solo dos horas adicionales de pruebas además de los días típicamente dedicados a caracterizar diferentes tipos de células. Y aquellos fabricantes que adoptan la métrica podrían obtener una ventaja competitiva.
Próximos pasos
Hacemos un llamado a los investigadores e ingenieros para medir e informar el coeficiente de enfriamiento de la celda de manera rutinaria. Nuestra métrica debe incluirse en publicaciones junto con otras métricas típicamente reportadas para las células, como la capacidad de energía y la tasa de descarga.
Los diseñadores deben evaluar el rendimiento térmico, junto con las densidades de energía y las capacidades de energía, para determinar qué celda es la más adecuada para su paquete de baterías. Deben hacer esto en una etapa temprana, antes de que los diseños se bloqueen. Las simulaciones por computadora pueden ser útiles para evaluar el potencial de las células. Conocer el coeficiente de enfriamiento de la celda ayudará a los diseñadores a evaluar las compensaciones entre la gestión térmica y la densidad de energía, mejorando el rendimiento de trabajo de todo el paquete.
Con una competencia tan feroz en la industria de las baterías, los fabricantes que pueden mantener sus celdas frescas tendrán el futuro más brillante.
Noticia tomada de: Nature / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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