Resumen
Los efectos del calentamiento global son evidentes hoy en día debido al aumento de la intensidad de las catástrofes ambientales que ocurren en todo el mundo. Las fuentes de energía limpias y renovables son fundamentales para mitigar este fenómeno y reducir las emisiones de CO¿. En este contexto, las baterías de iones de litio son esenciales, ya que pueden mejorar los sistemas de almacenamiento de energía al minimizar los problemas de producción intermitente y promover sistemas de propulsión limpia, como los trenes motrices híbridos y eléctricos.
Sin embargo, las baterías aún presentan algunas limitaciones, como la densidad de energía limitada y la necesidad de carga rápida para garantizar su aplicación a gran escala. Además, a medida que se logran avances en densidad de energía y carga rápida, han surgido preocupaciones sobre la seguridad en relación con problemas térmicos que pueden derivar en fuga térmica (TR). Por esta razón, la presente tesis se centra en comprender la variabilidad entre celdas mediante el análisis de la liberación de calor tanto de las principales reacciones en cadena como de la celda en su conjunto, utilizando modelado electroquímico y técnicas ópticas. Se propone un modelo de TR para predecir el comportamiento térmico en condiciones de abuso bajo diferentes estados de la batería. Las baterías fueron caracterizadas eléctricamente y modeladas utilizando un enfoque P2D en condiciones tanto prístinas como envejecidas, y se estudió su impacto en la autonomía del vehículo. Con los datos del modelo, se evaluó la influencia de los diferentes componentes de la batería a través de reacciones escalonadas para predecir el comportamiento de la fuga térmica.
Las baterías fueron ensayadas en un sistema ARC acoplado con técnicas ópticas bajo activaciones térmicas y mecánicas para evaluar la variabilidad entre celdas mediante análisis estadístico. Finalmente, se propuso un modelo basado en el comportamiento de la batería, considerando diferentes parámetros de entrada, como el estado de carga (SOC), el estado de salud (SOH) y la densidad de energía. Los resultados muestran que la masa final de la batería desempeña un papel significativo en la determinación de la temperatura máxima en la superficie de la batería. Una mayor masa puede almacenar más energía y transferir calor a través de la carcasa de la batería. Este efecto explica por qué baterías con diferentes niveles de SOC y SOH pueden alcanzar temperaturas similares. En el caso de la penetración por clavo como activación, las rupturas laterales y la combustión localizada llevaron a mediciones de temperatura engañosas, como se demostró mediante las técnicas ópticas y el análisis estadístico aplicados.
Se desarrolló un modelo basado en los resultados de esta tesis, que predice el comportamiento de la fuga térmica al considerar diferentes condiciones de la batería y la masa atrapada durante el evento. Además, se debe considerar como parámetro de entrada la velocidad de aumento de temperatura en la temperatura de inicio del proceso exotérmico, ya que varía respecto a los valores originales dependiendo de las limitaciones del sistema experimental. El principal efecto de este parámetro es influir en la duración del proceso de fuga térmica en condiciones adiabáticas.
