Inverter mal seteado permite tomar más corriente del banco de baterías LiFePO4 ocasionando daños.

 

Inverter  mal seteado  permite tomar más corriente del banco de baterías LiFePO4 ocasionando daños.

 

 Breve descripción del funcionamiento de  una celda básica de LiFePO4

El funcionamiento de las baterías de ión-litio depende de un flujo de iones de litio entre el ánodo (-) y el cátodo (+).  El ánodo es generalmente un polo de grafito mientras que el cátodo puede tener una composición diferente para aceptar iones litio: óxido de cobalto (LCO), óxido de manganeso (OLM) o fosfato  de hierro (LFP). El material del cátodo es determinante para el rendimiento, la fiabilidad y la seguridad.

 

Durante la carga, los electrones se mueven del cátodo al ánodo. Durante la descarga, se mueven en sentido opuesto.

Una  SEI (Interfase Electrolítica Sólida) se forma en la superficie del ánodo a partir de la reducción electroquímica del electrolito y juega un papel crucial en la ciclabilidad a largo plazo de una batería a base de litio.

 

Cuando una batería de iones de litio comienza a cargarse y descargarse, los iones de litio se extraen del material activo del electrodo positivo. En ese momento, entran en el electrolito, penetran en el separador y finalmente se incrustan en el espacio intercalado del material de carbono negativo. Los electrones salen del electrodo positivo por el bucle terminal exterior y entran en el material de carbono del electrodo negativo.

En este punto, se produce una reacción de oxidación-reducción entre los electrones, el disolvente del electrolito y los iones de litio. A medida que el espesor del SEI aumenta hasta el punto en que los electrones no pueden penetrarlo, se forma una capa de pasivación que impide la continuación de la reacción redox.

 

 Enunciado del problema

Un  banco de baterías de LiFePO4 provee de energía  aun inversor que controla a un motor trifásico en un vehículo eléctrico. Un error involuntario en el seteo del inverter, esto es,  el establecimiento de los datos básicos necesarios para el funcionamiento del mismo,  permitió que el motor tomara más corriente a través del inversor del que el banco de baterías podía entregar. Como consecuencia se produjo un daño irreversible en algunas celdas del mismo.

 

Descripción detallada y resultados

El inverter permitió circular, aunque fuera por milisegundos, una corriente mayor a la admisible desde el banco de baterías. Lo que provocó de manera inmediata  tres acciones clave:

.- Un  sobrecalentamiento local

Por exceso de corriente (efecto Joule)

.- Un gradiente de corriente entre celdas

Es decir una variación de la corriente en función del tiempo muy acentuada, esto es, cómo varía la corriente con el tiempo entre celdas que conforman el banco.

.- Un desbalance irreversible

Esta descarga de corriente anómala somete a las celdas más débiles provocando que se degraden más rápido

 Hay que tener en cuenta que el punto crítico de las baterías de litio es la temperatura, NO toleran sobrecorrientes.

 

Entonces nos preguntamos ¿qué pasó eléctricamente dentro del banco?

Para responder dicha pregunta  debemos tener en cuentas que en un banco real las celdas no son idénticas.

Algunas tienen: mayor resistencia interna que otras, menor capacidad real, peor disipación térmica. Aunque en nuestra limitada inspección visual nos parezcan todas iguales.

Es por ello que cuando el inverter pide excesiva corriente para suministrar al motor, la corriente se reparte desigualmente entre celdas que conforman el banco por lo que las celdas “más débiles”  experimentan más calentamiento, más caída de tensión, más estrés electroquímico. Como resultado de tal situación  esas celdas cruzan su límite seguro antes que el resto.

 

Químicamente sucedió lo siguiente en el banco de baterías  LiFePO₄

 Durante la sobrecorriente:  

.-Aumento brutal de temperatura interna por resistencia interna (I²R) y reacciones parasitarias. La temperatura puede subir localmente aunque el sensor del banco no lo vea.

 .- Degradación de la capa SEI (Solid Electrolyte Interphase)

Con un episodio de  sobrecorriente la SEI se fractura, se vuelve inestable y se vuelve a formar consumiendo litio activo. Lo que provoca pérdida permanente de capacidad

 .-  Plating (formación de) de litio metálico Cuando la corriente es mas alta de la admisible, como en este caso, los iones Li⁺ no alcanzan a intercalarse en el grafito y se depositan como litio metálico.

Lo que produce  pérdida de capacidad, aumento de resistencia interna y riesgo de micro-cortocircuitos (dendritas). Este daño (nefasto) es irreversible.

 .- Descomposición del electrolito

El electrolito orgánico comienza a oxidarse o reducirse generando gases (CO₂, CH₄, etc.). Trayendo peligrosas consecuencias como: hinchamiento de la celda, aumento de presión interna, separación de electrodos

 .-  Posibles daño en el cátodo

En celdas  NMC/NCA (Níquel Manganeso Cobalto - Níquel Cobalto Aluminio): migración de metales (Ni, Mn, Co), colapso parcial de la estructura cristalina

En celdas LiFePO₄: más estable térmicamente pero igual pierde litio ciclado

 

 Qué se percibe  después del evento

Los síntomas típicos de las celdas dañadas son: caída rápida de tensión bajo carga, no mantienen balance, se cargan “rápido” y se descargan “rápido”, aumento de temperatura de forma anormal, el  BMS las bloquea o las marca como falladas. Aunque funcionen para su cometido, ya no son confiables.

 Nos podríamos preguntar: ¿Por qué fallaron solo algunas celdas?

En términos   generales podemos decir que: eran las de mayor resistencia interna,  las más usadas,  las peor refrigeradas,  las que ya estaban mínimamente degradadas

  

Resumen

Por todo lo visto más arriba, podemos deducir que la sobrecorriente fue solo el disparador final. El inverter administró un exceso corriente que provocó un  sobrecalentamiento local, con posible  ruptura de la SEI, depósito de litio metálico y degradación del electrolito; esas celdas perdieron litio activo y aumentaron su resistencia interna, quedando eléctricamente y químicamente con un funcionamiento errático, en el mejor caso e inutilizables en el peor caso.

 

 Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                                               2026.-