CARACTERIZACION FISICO-QUIMICA Y MODELADO DEL PROCESO DE VENTEO DURANTE EL FENOMENO DE FUGA TERMICA EN BATERIAS DE VEHICULOS ELECTRICOS

2022

AGENCIA ESTATAL DE INVESTIGACION

INV. COMPETITIVA PROYECTOS

Monsalve Serrano Javier

La Unión Europea ha establecido para el sector transporte una reducción de las emisiones de CO2 en el tubo de escape del 15% para 2025 y del 30% para 2030, en comparación con 2019. Estos límites no pueden alcanzarse únicamente optimizando los motores de combustión interna alternativos, lo que ha impulsado a una rápida introducción en el mercado de los vehículos eléctricos de batería (BEV). A pesar de su gran ventaja, éstos presentan todavía algunas limitaciones operativas (tiempo de carga, rango de conducción, coste de adquisición, infraestructura) que es necesario solventar. Además, los informes reportando fallos de seguridad asociados a fallos en las baterías de los BEV están aumentando a un ritmo acelerado. En concreto, se ha comprobado que el abuso eléctrico, térmico y/o mecánico de las baterías puede dar lugar al fenómeno de fuga térmica (battery thermal runaway, BTR), por el cual reacciones químicas en cadena en el interior de las celdas conducen a una rápida descomposición de sus componentes principales en un proceso altamente exotérmico. Esto produce una mezcla de gases inflamables y oxígeno que pueden autoencenderse fuera de la celda, aumentando la temperatura de toda la batería, pudiendo provocar el incendio de batería y vehículo. Pese a la creciente inversión en investigación en esta temática, aun se trata de un problema tecnológico no resuelto debido a la enorme complejidad de los mecanismos de degradación químicos, fenómenos eléctricos y de transmisión de calor que tienen lugar de manera acoplada. Si bien se conocen algunos de los fundamentos clave del problema, todavía falta mucho conocimiento sobre el detalle de los mecanismos que producen el fallo de la celda. El presente proyecto tiene como objetivo la comprensión de una de las etapas que ocurren previamente al fenómeno de BTR, concretamente el proceso venteo, en el que gases y sólidos son expulsados de la celda tras la subida de presión en la misma para tratar de mitigar la aparición del BTR. Los resultados del mismo pretenden contribuir a la mejora de la seguridad activa y predictiva de esta tecnología. Por un lado, la caracterización físico-química del fenómeno aportará conocimiento para favorecer el desarrollo de nuevos materiales y diseños de componentes de seguridad activa de la celda. Por otra parte, el modelo computacional obtenido podrá ser incluido como sub-modelo en un modelo global de BTR que incluya también la fenomenología electroquímica del problema. Se prevé que, a corto-medio plazo, este tipo de modelos predictivos estén embebidos en las unidades de control electrónicas de los BEV para monitorizar y predecir posibles fallos de la batería debidos al fenómeno de BTR. Así, se espera que las conclusiones obtenidas permitan la definición de sistemas de prevención más sofisticados, favoreciendo el desarrollo de nuevas generaciones de baterías más seguras y con mayor contenido energético, lo que conducirá a mayores rangos eléctricos y eficiencias de los BEV. De este modo, el presente proyecto contribuye al desarrollo de una tecnología clave para la transición ecológica a través de aspectos como son la descarbonización, la eficiencia energética, el despliegue de las energías renovables, la electrificación de la economía y el desarrollo del almacenamiento de energía. Por lo tanto, el proyecto persigue la mitigación del cambio climático, recogido en el Reglamento de Taxonomía como uno los objetivos medioambientales principales de la transición ecológica.