es.wedoany.com Noticia: Investigadores de la Universidad de Petróleo de China (Pekín) y la Academia China de Ciencias de la Seguridad en el Trabajo han desarrollado un material compuesto de espuma de silicona ceramizable laminada en gradiente, capaz de prevenir eficazmente fallos en cascada durante el descontrol térmico en sistemas de almacenamiento de energía con baterías de iones de litio. Este material genera una barrera cerámica densa a altas temperaturas mediante un sistema de rellenos multiescala, resistiendo al mismo tiempo el impacto de chorros de gas a alta temperatura y presión.
La propagación del descontrol térmico es un riesgo de seguridad importante en los sistemas de almacenamiento de energía con baterías de iones de litio a escala de servicios públicos. La temperatura central del chorro de gas expulsado durante el descontrol térmico puede alcanzar entre 800 °C y 1200 °C, con una velocidad de eyección superior a 200 m/s. Los materiales aislantes pasivos tradicionales fallan fácilmente en estas condiciones: las espumas orgánicas colapsan por encima de 300 °C, y los materiales de fibra inorgánica se desintegran bajo el impacto de chorros de alta velocidad.
El material compuesto desarrollado por el equipo de investigación utiliza espuma de polidimetilsiloxano como matriz, incrusta un esqueleto de tela de fibra de vidrio y añade un sistema de rellenos multiescala que incluye polifosfato de amonio, borato de zinc, caolín y aerogel de sílice. En condiciones normales de trabajo, el material mantiene flexibilidad y elasticidad, con estabilidad mecánica en un rango de -40 °C a 300 °C, conservando un 93 % de la tensión residual tras 1000 ciclos de compresión. Al exponerse a una llama, los rellenos inician un proceso de ceramización en múltiples pasos: los retardantes de llama liberan gases inertes y promueven la formación de carbón; el caolín y el aerogel de sílice experimentan sinterización en fase líquida por encima de 600 °C, generando una barrera cerámica densa. Incluso si la superficie de la espuma se daña, la tela de fibra de vidrio incrustada sigue resistiendo la perforación por chorros de gas a alta presión.
En pruebas de calorimetría de cono, en comparación con la espuma de silicona común, el material compuesto redujo la liberación total de calor en un 54,4 % y la producción de humo en un 87,9 %. Bajo una llama de butano a aproximadamente 1100 °C, el material mantuvo su integridad estructural durante más de 30 minutos, con una temperatura en la cara posterior estable en 97,1 °C. La conductividad térmica medida fue de 0,046 W/(m·K), aproximadamente un 50 % inferior a la de la espuma de silicona no modificada. El índice límite de oxígeno del material alcanzó el 33,5 %, y superó la clasificación de retardancia de llama UL-94 V-0.
La evaluación del rendimiento del módulo de batería se realizó con tres baterías prismáticas comerciales de 37 Ah en una configuración controlada de tres celdas. Sin aislamiento, desde que la primera batería entraba en descontrol térmico, las tres se propagaban por completo en cuestión de segundos. Con espuma de silicona convencional de 3 mm, la propagación se retrasó pero no se detuvo. Con el material compuesto ceramizable de 3 mm, el descontrol térmico se limitó a la batería desencadenante, y la temperatura frontal de las baterías adyacentes alcanzó 167,1 °C sin superar el umbral de descontrol.
La pérdida total de masa en la prueba con el material compuesto ceramizable fue de 255,4 gramos, frente a los 796,3 gramos de la espuma de silicona convencional, lo que coincide con los resultados de la prueba de celda única. En una prueba comparativa independiente realizada por el mismo equipo de investigación, el uso de fieltro de aerogel comercial también logró limitar la falla a una sola celda, pero la temperatura frontal de las baterías adyacentes fue ligeramente superior, alcanzando 181,1 °C. El artículo de investigación señala que el espesor de 3 mm del material compuesto mantiene la densidad de energía volumétrica del módulo de batería, y su proceso de fabricación es compatible con la producción industrial en rollo.
El estudio fue publicado en la revista académica Nano-Micro Letters, con el título "Construcción de un sistema de almacenamiento de energía con baterías de iones de litio intrínsecamente seguro mediante espumas de silicona ceramizables laminadas en gradiente" (Constructing Intrinsically Safe Lithium-Ion Battery Energy Storage via Gradient-Laminated Ceramifiable Silicone Foams). La investigación fue liderada por el profesor Congling Shi de la Academia China de Ciencias de la Seguridad en el Trabajo y el profesor Laibin Zhang de la Universidad de Petróleo de China (Pekín), con Shuilai Qiu y Jingyao Xu como coautores.
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