Seguridad de las celdas de iones de sodio: qué dicen realmente las pruebas

“¿Es segura? es la primera pregunta que nos hacen, y quien la formula tiene razón. Una batería no es un depósito: es un sistema electroquímico que almacena energía en forma química y que, si es sometido a presiones más allá de sus límites, puede liberarla toda junta. La respuesta seria no es un adjetivo, es un protocolo de prueba con sus condiciones y su criterio de aceptación.

Este artículo describe las pruebas de seguridad superadas por las celdas polianiónicas NFPP de la segunda generación de sistemas Heiwit, con los protocolos detallados. Ninguna prueba es relevante sin sus condiciones: “supera la prueba del clavo” sin especificar con qué aguja, a qué velocidad y durante cuánto tiempo no significa nada.

¿Qué se está intentando provocar?

Todas las pruebas que siguen tienen un único objetivo: la fuga térmica, en inglés desembalaje térmico. Es el mecanismo por el cual una célula dañada genera calor, el calor acelera las reacciones de degradación, las reacciones generan más calor y el proceso se autoalimenta hasta el incendio o la rotura violenta de la envolvente.

Una prueba de seguridad es por tanto un intento deliberado de desencadenar ese ciclo: se perfora la celda, se la sobrecarga, se la aplasta, se la calienta desde el exterior. El criterio de superación no es “no pasa nada” —casi siempre pasa algo— sino ningún incendio, ninguna explosión, ninguna rotura de la envolvente.

También hay que señalar lo que una prueba no demuestra. Un resultado positivo en una célula individual no se aplica automáticamente al paquete de baterías completo: la propagación de una célula a las vecinas es un fenómeno de sistema, y es objeto de una norma diferente, la UL 9540A, de la que hablaremos más adelante.

Las probé, una por una

Penetración con un clavo

Es la prueba más severa y la más espectacular. La celda se encuentra a 25 °C y está completamente cargada, es decir, en la condición de máxima energía almacenada. Una aguja de acero de 5 mm de diámetro lo atraviesa en el centro geométrico a la velocidad de 25 ± 5 mm/s. La aguja no se retira: sigue atascado en la celda, manteniendo el cortocircuito entre las capas de electrodo para una hora de observación.

El resultado registrado es: apertura del CID, emisión de humo, ninguna explosión, ningún incendio.

El CID, Dispositivo de interrupción actual, es un dispositivo mecánico situado en el interior de la célula: cuando la presión interna supera un umbral, un disco se deforma e interrumpe físicamente el circuito. Es la última línea de defensa, la que entra en acción cuando la electrónica ya no sirve de nada porque la célula ya está perforada. Que el CID haya intervenido y que el resultado se haya limitado a la aparición de humo es exactamente el comportamiento que se espera de una célula bien diseñada.

Sobrecarga

La celda, a 25 °C y ya completamente cargada, se carga a corriente constante 1C hasta 1,5 veces la tensión de fin de carga, o por una hora, según qué condición se cumpla primero. Le sigue una hora de observación.

Se trata de un caso de fallo grave del sistema electrónico de control: el BMS no se activa y el inversor sigue suministrando corriente a una batería que ya está llena. El resultado observado es el abombamiento de la carcasa, sin fugas de líquido ni incendio.

Control térmico

La celda de carga viene calentada desde el exterior mientras se carga simultáneamente a corriente constante de 1C. El calentamiento continúa hasta que se produce una de estas tres condiciones: la célula entra en fuga térmica, la temperatura alcanza 300 °C, o pasan cuatro horas.

Es la prueba que reproduce el incendio externo: no la batería que se incendia, sino la batería que se encuentra dentro un incendio. Trescientos grados están muy por encima de la temperatura a la que una celda de litio entra en fuga térmica. También aquí el criterio es ningún incendio, ninguna explosión, ninguna rotura, y también aquí el resultado registrado se detiene en la apertura del CID y en la emisión de humo.

Aplastamiento, cortocircuito, horno

Lo aplastamiento reproduce el daño mecánico —la caída de un objeto pesado, un impacto durante el transporte o la instalación— y requiere ausencia de fugas de líquido y de incendio.

En cortocircuito externo conecta los dos terminales con una resistencia despreciable; el criterio, en este caso, es estricto de un modo diferente: ninguna variación de aspecto, es decir, la celda debe salir de la prueba visualmente íntegra.

La prueba en el horno según la norma GB/T 36276-2018, la norma china específica para sistemas de almacenamiento de energía electroquímica conectados a la red, somete a la celda a una permanencia prolongada a alta temperatura.

La seguridad que proviene de la química, no de los dispositivos

Las pruebas anteriores miden el comportamiento en condiciones extremas. Pero la parte más interesante es que el cátodo polianiónico hace que esas condiciones más difíciles de alcanzar, por tres razones estructurales.

Genera menos calor con la misma corriente. En la prueba de descarga con corrientes crecientes, en régimen 4C, la célula NFPP registra una sobretemperatura máxima de 15,5 °C, contra i 22,1 °C Dado una celda LFP de referencia, menos calor producido significa un margen más amplio antes de que cualquier mecanismo de activación entre en juego.

Tolera la descarga profunda. Llevar una celda de litio por debajo de su tensión mínima significa dañarla de forma permanente y, en ciertos casos, crear las condiciones para un fallo posterior. La química polianiónica soporta la descarga profunda sin consecuencias estructurales.

Se puede llevar a cero voltios. Es la consecuencia más singular del hecho de que, en las celdas de sodio, ambos colectores de corriente pueden ser de aluminio — mientras que una celda de litio requiere cobre en el ánodo, que se corroe irreversiblemente si el voltaje baja demasiado. Una celda de sodio puede, por lo tanto, descargarse por completo a cero voltios para ser almacenada o transportada, y luego recargarse sin daños. Una batería transportada descargada es una batería que no tiene energía para liberar.

Las certificaciones de las celdas

Además de las pruebas anteriores, las celdas disponen de los siguientes informes y certificados:

• IEC 62619 — requisitos de seguridad para pilas y baterías secundarias de litio y otros sistemas alcalinos para aplicaciones industriales. Es la norma internacional de referencia para el almacenamiento estacionario.
• UL 9540A — método de prueba para la propagación de la fuga térmica en los sistemas de almacenamiento. Responde a la pregunta que las pruebas de celda única no abordan: qué sucede con las celdas vecinas. Es el documento que los bomberos y las compañías de seguros solicitan para las instalaciones de gran tamaño.
• ONU 38,3 — pruebas obligatorias para el transporte de baterías: altitud, ciclo térmico, vibración, impacto, cortocircuito externo, sobrecarga.
• RoHS e hojas de datos de seguridad de materiales — ausencia de sustancias peligrosas y composición declarada.
• Certificaciones para el transporte marítimo y aéreo dile mercancías peligrosas.

El sistema, no solo la celda

Una última aclaración, porque es la confusión más común. Las pruebas y certificaciones descritas aquí se refieren a las celdas. El sistema de almacenamiento completo —batería, BMS, electrónica de gestión e inversor— es objeto de una certificación independiente, que incluye la Directiva sobre baja tensión, la Directiva sobre compatibilidad electromagnética y la normativa nacional de conexión a la red.

Las dos cosas son complementarias y ninguna sustituye a la otra: una celda excelente dentro de un sistema mal diseñado sigue siendo peligrosa, y un sistema bien diseñado no puede compensar una celda inestable.

Preguntas más frecuentes

¿Pueden incendiarse las celdas de sodio?

Cualquier celda que almacene energía puede liberarla de forma descontrolada si se somete a suficiente tensión. La diferencia radica en el umbral y en el comportamiento más allá de ese umbral. En las pruebas descritas —perforación con la aguja dejada dentro durante una hora, sobrecarga a 1,5 veces la tensión de fin de carga, calentamiento hasta 300 °C— el resultado se limitó a la emisión de humo, sin incendio ni explosión.

¿Qué es el CID?

Dispositivo de interrupción actualun disco metálico interno que se deforma cuando la presión dentro de la celda supera un umbral, interrumpiendo físicamente el circuito. Actúa de forma puramente mecánica, sin electrónica, y es la última protección disponible cuando la celda ya está comprometida.

¿Por qué se habla de almacenamiento a cero voltios?

Perché nelle celle al sodio entrambi i collettori di corrente possono essere in alluminio, mentre il litio richiede rame all’anodo, che si corrode se la cella si scarica troppo. Una cella al sodio può quindi essere trasportata e stoccata completamente scarica, cioè priva di energia da liberare, e ricaricata senza danno.

La cella certificata basta a rendere sicuro l’impianto?

No. La sicurezza è una proprietà del sistema completo: cella, pacco, BMS, elettronica e installazione a regola d’arte. Le certificazioni di cella sono la base necessaria, non la garanzia finale.