Por qué explotan las baterías Samsung y cómo pueden estas cambiar la electrónica

Por: Robin Mitchell

Recientemente, la compañía Samsung retiró de las tiendas su último modelo de Smartphone Samsung Galaxy Note 7 luego de que multitud de usuarios reportaran que sus baterías se incendiaban y explotaban. ¿Qué fue lo que hizo necesaria esta acción y por qué las baterías de iones de litio Li-ion tienen tan mala reputación de causar incendios?

La Gran Retirada

Samsung anunció que todos los Galaxy Note 7 debían ser retirados debido a que los usuarios reportaban que sus baterías se sobrecalentaban, se incendiaban e incluso llegaban a explotar. El Galaxy Note 7 Salió a la venta el pasado 2 de Septiembre y solo estuvo en las estanterías por un mes. Sin embargo, esto no implica que todos los equipos Samsung sean peligrosos, ya que solo ha habido 92 reportes de un total de 1 millón de equipos vendidos en los estados unidos.

Aún así, estos incidentes han captado una gran cantidad de atención mediática debido a que el daño causado por los equipos ha sido suficiente para quemar a personas y para provocar incendios graves.

Pero, ¿por qué se incendian estas baterías? ¿Qué hace que las baterías de iones de litio lleguen a explotar? Para contestar estas preguntas, necesitamos entender cómo trabaja una batería de iones de litio.

Baterías de iones de litio Li-ion

Como la mayoría de las baterías, una batería de iones de litio consiste en tres partes principales que son: el ánodo o terminal positivo (+), el electrolito, y el cátodo o terminal negativo (-).

En las baterías Li-ion, el ánodo está usualmente hecho de óxido de litio-cobalto, y el cátodo está hecho de carbón. El electrolito en este tipo de baterías debe ser capaz de transferir iones positivos entre los electrodos, pero además debe funcionar como un aislante para la corriente eléctrica (flujo de electrones). Los electrolitos varían entre baterías pero normalmente se componen de sales de litio disueltas en un solvente orgánico.

Corte simple de la batería de Li-ion. Imagen cortesía de Karcher [CC BY-SA 3.0]

Cuando una batería Li-ion se carga, los iones de litio se desprenden del ánodo y pasan a incrustarse en el cátodo de carbón poroso. Al mismo tiempo, los electrones del ánodo se desprenden y fluyen hacia el cátodo, donde se enlazan con los iones de litio para depositar el metal de litio en el carbono.

Ciclo de Descarga

Durante el ciclo de descarga (cuando la carga está conectada a través de los terminales de la batería), los electrones del cátodo son atraídos al ánodo lo cual resulta en que los iones de litio se incrusten en el cátodo de carbono para viajar a través del electrolito y luego regresar al ánodo donde nuevamente se combinan con los electrones para formar litio metálico.

El flujo de electrones y el flujo de iones en el electrolito se complementan entre sí y el proceso de carga solo puede ocurrir si ambos procesos están activos. Si uno se detiene (por ejemplo, el flujo de electrones), entonces también se detendrá el otro (en este caso, el flujo de iones).

Sobrecalentamiento

Entonces, ¿por qué las baterías Li.ion tienen el mal hábito de sobrecalentarse e incendiarse?

Esto se debe principalmente a dos factores:

• La velocidad a la que los iones de litio se depositan en el cátodo de carbono.
• La temperatura de la batería.

Cuando una batería de litio se está cargando, los iones de litio necesitan estar incrustados en el cátodo, lo cual se conoce como intercalación. Este proceso es muy importante debido a que, en lugar de depositar litio metálico sobre la superficie del cátodo, los iones de litio penetran la región porosa del cátodo de carbón.

Si una batería de iones de litio se carga demasiado rápido, los iones de litio se depositan en la superficie del cátodo como una cubierta en lugar de atravesar hasta la región porosa. Esto es crítico debido a que la distancia entre dos placas en una batería Li-ion típica es muy pequeña, y en la medida en que la capa de litio depositada sobre la superficie del cátodo se hace más gruesa, con el tiempo puede hacer contacto con el ánodo lo cual crea un corto circuito.

Galvanoplastia mostrando cómo el cátodo aumenta en dimensión física.

Este corto circuito puede entonces producir una descarga masiva de corriente, la cual a su vez calentaría la batería, y en la medida en que esta se calienta corre el riesgo de entrar en una fuga térmica, donde el incremento de la temperatura hace que la reacción ocurra más rápido lo cual se traduce en un mayor aumento de temperatura.

Esto puede llevar a que la celda comience a humear, se encienda en llamas e incluso explote.

Entonces, ¿cómo resolver semejante problema?

La respuesta implica electrónica que constantemente monitoree la temperatura de las baterías así como su voltaje y corriente de salida.

Durante la carga, la batería es cuidadosamente monitoreada y la corriente de carga es mantenida en niveles bajos. Esto aumenta el tiempo que toma cargar la batería pero evita la aparición de la peligrosa cobertura de litio en el cátodo. Cuando las baterías están en uso, el controlador puede medir la temperatura de la batería y apagar las celdas si es necesario para prevenir daños.

Baterías explosivas

La situación con Samsung y sus baterías potencialmente peligrosas no es nueva. En realidad, es muy común oír sobre equipos de distintas marcas cuyas baterías Li-ion han causado daños e incendios.

Entonces, ¿por qué estas baterías aun se siguen usando si representan un peligro muy real?

Básicamente, las baterías de iones de litio aun se siguen usando debido a las múltiples ventajas que brindan respecto a otros tipos de baterías.

En primer lugar, las baterías Li-ion son recargables, a diferencia de las baterías comunes que puedes encontrar en algunas cámaras, controles remotos o juguetes.

En segundo lugar, las baterías Li-ion no sufren del fenómeno llamado “efecto memoria” que presentan otros tipos de baterías recargables (como las NiMH y NiCd). En palabras sencillas, el efecto memoria es cuando una batería pierde su habilidad de mantener su carga si no es completamente descargada antes de cargarla nuevamente.

Además, las baterías Li-ion son muy livianas y tienen una alta densidad de energía comparadas con otras tecnologías recargables. Esto las hace la elección ideal para equipos portátiles, herramientas eléctricas e incluso vehículos eléctricos.

Resumen

Las baterías Li-ion son altamente usadas debido a que son livianas y su densidad de energía es alta, sin embargo estas ventajas tienen un costo y es que algunas de esas baterías pueden fallar y causar daños.

Si los incidentes con baterías Li-ion defectuosas continúan en aumento, podría no pasar mucho tiempo antes de que los gobiernos intervengan y cambien algunas reglas sobre el uso de estas fuentes de energía.

Las nuevas tecnologías, equipos más inteligentes y mejores materiales pueden reducir el riesgo de falla de estos dispositivos, pero estos cambios tal vez no deberían tardar mucho en aparecer, ya que no pasará mucho tiempo antes de que alguien más salga gravemente herido debido al uso de estas fuentes de energía.

Robin Mitchell – All About Circuits