Las baterías Li-ion pueden dar un respaldo energético de altas prestaciones en sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) en centros de datos, así como ahorrar en costes y emisiones de dióxido de carbono (CO₂). Sin embargo, algunos operadores siguen teniendo dudas acerca de la seguridad.

La tecnología de Li-ion ofrece el rendimiento ideal para proporcionar una potencia de respaldo de alto rendimiento en un tamaño compacto y ligero. Sin embargo, a medida que la industria de las baterías Li-ion ha alcanzado la madurez, se han producido incidentes importantes de seguridad. Por ejemplo, un incendio en un sistema de almacenamiento de energía en las instalaciones del Servicio Público de Arizona en 2019, o cuando el presentador de Top Gear Richard Hammond tuvo que huir de un coche en llamas.

Lo que estos incidentes tienen en común es un embalamiento térmico, donde un cortocircuito dentro de una celda crea altas temperaturas. Este incidente se propaga a otras celdas provocando su descomposición y liberando gases calientes e inflamables.

La seguridad se basa en evitar que se inicie un embalamiento térmico. La selección de una química Li-ion intrínsecamente segura es crítica. Sin embargo, también es fundamental no pasar por alto la importancia de un buen diseño, construcción mecánica, eléctrica y electrónica. Estos tienen la gestión del rendimiento de la batería y deben contener el calor.

Familia Li-ion

La complejidad del Li-ion radica en que no un único tipo de batería. Li-ion es un término paraguas para toda una familia de productos químicos. Cada una de las sustancias químicas tiene sus propios perfiles de rendimiento, con ventajas y desventajas relativas entre los parámetros de vida útil, densidad de potencia, densidad de energía, rendimiento a alta y baja temperatura y seguridad.

Estas sustancias químicas se pueden utilizar individualmente, o mezclarse juntas para lograr un equilibrio de propiedades adecuado para una aplicación determinada.

La rama más grande del árbol de la familia Li-ion abarca los óxidos de metal, y las otras dos ramas en uso son fosfatos de hierro y titanatos. Los titanatos son relativamente un nicho y actualmente se utilizan para la tracción ferroviaria y potentes vehículos todoterreno.

Óxidos de metal frente a fosfatos

Los óxidos metálicos, como el óxido de aluminio cobalto de níquel litio (NCA) y el óxido de cobalto de manganeso de níquel litio (NMC), tienen una densidad de energía particularmente alta. Esto los hace adecuados para baterías compactas de alta potencia, como vehículos eléctricos, donde las personas pueden tener la necesidad de huir. En Saft, utilizamos NCA para las baterías de exploración espacial y satélites ya que tiene una mayor densidad.

El inconveniente de seguridad de los óxidos metálicos es que contienen oxígeno. Se puede liberar si se producen cortocircuitos internos, creando aluviones térmicos ya que las temperaturas pueden alcanzar 800-1000°C. La liberación de oxígeno de la mezcla de óxido metálico hace prácticamente imposible que un sistema de supresión de incendios basado en nitrógeno o fluoroketona funcione de forma eficaz.

Incluso con un buen diseño, el potencial térmico que se propaga hace que los óxidos metálicos resulten inadecuados en sitios críticos para la seguridad, como los centros de datos.

Cuando la seguridad constituye un aspecto crítico, es fundamental reducir el riesgo especificando la química de los fosfatos, como el fosfato de hierro litio (LFP) o una mezcla de fosfato de hierro súper litio (SLFP). Estos no contienen oxígeno y, por lo tanto, la temperatura nunca supera los 250˚C, lo que evita la descomposición térmica en la celda y hace que la propagación a otras celdas resulte prácticamente imposible.

En un entorno de centro de datos, un sistema basado en la tecnología de fosfato de hierro proporcionará una vida útil de aproximadamente 20 años.

Incluso en los casos en los que la temperatura ambiente alcanza los 35 °C, se espera que la batería dure 14 años. La desventaja es que su densidad de energía es un 30% menor que los óxidos de metal, y la tensión de las celdas es menor.

Seguridad en el edificio

Otro aspecto de la selección de la batería es si una tecnología puede satisfacer los estándares del edificio.

Normas como IFC 2018 y NFPA 855 controlan los riesgos potenciales demandando un contenido de energía en las baterías de Li-ion limitado a 20kWh por sistema, o 600kWh por instalación y que un espacio de aire de 3ft (alrededor de 1m) separe cada sistema.

Sin embargo, puede que los operadores necesiten sistemas de mayor tamaño y potencia, y es por ello por lo que se realizan ensayos rigurosos, de acuerdo con el método de prueba UL 9540A, para evaluar los aluviones térmicos. Esto incluye un conjunto exigente de ensayos que evalúan los sistemas de baterías y su capacidad para soportar fallos en las celdas, módulos y armarios individuales, así como de instalaciones generales.

Se ha comprobado que los sistemas de baterías basados en óxidos de metal han superado las pruebas UL 9540A, a pesar de la propagación entre celdas y módulos. Incluso ha habido casos durante estos ensayos en los que el módulo de la batería y algunos pequeños componentes internos de la celda se habían expulsado durante la fuga térmica.

Un punto adicional es que una recomendación para salir del incendio del Servicio Público de Arizona fue que los sistemas de extracción de aire tienen que ser capaces de manejar el volumen y la temperatura del gas generado durante un incidente. Los sistemas basados en fosfato producen significativamente menos gas a temperaturas más bajas que los sistemas de óxido, lo que los hace más prácticos en lo que respecta a los sistemas auxiliares.

Diseño del sistema de baterías

La seguridad de la batería también se basa en el diseño mecánico y en la fabricación de celdas de batería, así como en las carcasas protectoras y en conectores eléctricos. El formato y el diseño de la celda puede tener un gran impacto en la densidad de energía, la densidad de potencia, la longevidad y la seguridad.

En un sistema de baterías, las celdas se combinan en módulos y strings con un sistema electrónico de gestión de la batería (Battery Management System, BMS). Su función es ofrecer protección y comunicación con un controlador UPS, y también dentro del sistema de batería.

Una función importante del BMS es controlar la tensión y el perfil de temperatura a través de la batería a nivel de celdas individuales, módulos y strings. Entonces, el BMS gestionará la carga o descarga de las celdas con el objetivo de mantener una temperatura uniforme en todo el sistema.

El BMS controla los riesgos de seguridad evitando temperaturas excesivas, pero tiene la ventaja adicional de prolongar la vida útil de la batería. La temperatura afecta a la vida de las celdas, por lo que garantizar una temperatura uniforme supondrá que todas las baterías envejecen a la misma velocidad y proporcionan un rendimiento predecible.

En el caso de baterías a gran escala con strings alojados en varios armarios, un sistema de gestión de baterías (master battery management system, MBMM) supervisará el rendimiento en todas los strings.

Priorización de los servidores

Otro punto importante de la gestión de las baterías es que es distinto el uso de una batería dedicada al servicio del centro de datos, que una para un sistema de almacenamiento de energía (ESS).

Las baterías ESS se conciben como activos valiosos para generar ingresos y, como tal, su BMM contiene una caja de seguridad que evita descargas excesivas para no dañar las baterías.

Comparativamente, el trabajo de una batería SAI es evitar los costes surgidos por la pérdida de energía. La encuesta global de Uptime Institute sobre administradores de centros de datos y TI 2020, reveló que cuatro de cada 10 cortes cuestan entre 100.000 y 1 M de dólares, y aproximadamente uno de cada seis cuesta más de $1 millones.

El impacto puede ser incluso mayor, si se consideran los costes indirectos y los daños en la reputación.

Para los centros de datos de naturaleza crítica, los operadores necesitan un sistema de batería que se pueda descargar completamente, soportando cada último segundo de tiempo de servidor posible, incluso si se sacrifica la batería.

En última instancia, un sistema de baterías Li-ion bien especificado debe garantizar que no se arriesga en seguridad y prestaciones del respaldo.

Autor: Gareth Hackett, experto en tecnología Li-ion de Saft, explica cómo entender la seguridad y rendimiento de las baterías de Li-ion.