Cómo la simulación puede minimizar los riesgos de fallas y accidentes con dispositivos electrónicos
Recientemente, las explosiones de baterías de litio en dispositivos móviles, bicicletas eléctricas y patinetes han generado preocupaciones por su seguridad. Aunque eficientes y compactas, estas baterías son sensibles a daños físicos y al uso inadecuado, lo que puede provocar incidentes graves. En este contenido, vamos a mostrar cómo la simulación computacional puede ayudar a ingenieros y diseñadores en la prevención de accidentes, permitiendo el análisis y la anticipación de fallos antes de que se conviertan en un problema.
Desafíos en la seguridad de las baterías de litio
Las baterías de iones de litio son actualmente la solución de almacenamiento de energía portátil más utilizada y se encuentran en vehículos eléctricos, teléfonos móviles, laptops, sistemas de almacenamiento de energía residencial e incluso en redes eléctricas a gran escala. Sin embargo, su seguridad es motivo de creciente preocupación.
Según datos de los departamentos de bomberos de Australia indican que más de 450 incendios en el país en los últimos 18 meses estuvieron relacionados con fallas en baterías de iones de litio. La Comisión Australiana de Competencia y Consumo (ACCC) publicó recientemente un estudio para evaluar formas de mejorar la seguridad de estas baterías. Además, incluso las autoridades de rescate reconocen que aún no existe suficiente conocimiento sobre la probabilidad de fallas en estas baterías, sus mecanismos de fallo y las posibles consecuencias de tales incidentes.
El principal peligro de las baterías de iones de litio es el riesgo de incendios y explosiones. Si son perforadas, entran en cortocircuito, se sobrecargan o se exponen a temperaturas elevadas, los electrolitos inflamables en su interior pueden provocar combustión o incluso una explosión. Aunque estos incidentes son poco frecuentes, pueden causar lesiones graves, daños materiales y representan un gran riesgo en vehículos como los aviones.
A pesar de que las baterías de iones de litio tienen una vida útil más larga que muchas otras, también son susceptibles a fugas cuando están degradadas o dañadas. Si se ven comprometidas, pueden liberar sustancias corrosivas que pueden causar quemaduras químicas al contacto con la piel, además de dañar los componentes del dispositivo en el que están instaladas.
Otro riesgo menos conocido es la inhalación de sustancias tóxicas. Si una batería de iones de litio se incendia, puede liberar vapores tóxicos perjudiciales para la salud. La inhalación de estos gases puede causar problemas respiratorios e incluso complicaciones graves.
Las baterías de litio están diseñadas para operar en un rango de temperatura de 40°C a 45°C. La exposición al calor excesivo o a daños físicos puede comprometer la capa de protección de la batería, aumentando la posibilidad de combustión espontánea si el litio entra en contacto con el aire.
El papel de la simulación en la prevención de riesgos
La simulación computacional es esencial para proporcionar herramientas avanzadas que evalúan y mitigan riesgos en baterías. A través del análisis de fenómenos térmicos, mecánicos y electroquímicos, es posible prever fallos, optimizar el diseño y garantizar un rendimiento seguro y eficiente a lo largo del tiempo.
Además de mejorar la seguridad, la simulación desempeña un papel crucial en la reducción del tiempo y los costos en el proceso de producción de baterías. Las empresas del sector deben obtener certificaciones de seguridad rigurosas, como CE, IEC, UL y UN38.3, cuyo costo puede variar entre 500 y 20,000 dólares, con plazos de prueba que pueden alcanzar hasta 12 semanas.
Tabla 1 – Estimación de costos y tiempos para la certificación. Fuente: Epec.
El uso de simulación reduce significativamente la necesidad de pruebas físicas repetitivas, permitiendo ajustes rápidos en el diseño antes de la fase de certificación.
Las herramientas avanzadas de simulación permiten a los ingenieros analizar y predecir el comportamiento de las baterías de litio, teléfonos inteligentes y diversos dispositivos electrónicos en distintas condiciones. A través de la simulación multifísica, es posible evaluar:
Pruebas de runaway térmico en baterías: Evaluación del riesgo de fallas térmicas en baterías de litio, donde un aumento descontrolado de la temperatura puede provocar daños irreversibles, explosiones o incendios. Ansys Fluent® se puede utilizar para simular el comportamiento térmico y la propagación del calor, identificando condiciones críticas que pueden generar runaway térmico. El análisis permite predecir puntos de sobrecalentamiento, optimizar el diseño de las baterías para mejorar la disipación de calor y aumentar la seguridad operativa.
Figura 1 – Runaway térmico en baterías (video).
- Pruebas de choque térmico y confiabilidad mecánica: Evaluación del impacto de variaciones bruscas de temperatura en el rendimiento eléctrico y mecánico de las baterías, considerando normas como MIL-STD-883, JEDEC JESD22-A106 e IEC 60068-2-14:1984.
Figura 2 – Distribución de temperatura en un smartphone.
- Pruebas de impacto y resistencia a caídas: Análisis de la respuesta mecánica de las baterías y dispositivos ante caídas accidentales, según normas MIL-STD-810G y GB/T2423.8-1995. Uso de Ansys LS-DYNA® para modelar y simular el impacto en carcasas y componentes internos, identificando puntos críticos en el diseño. Evaluación de la confiabilidad del dispositivo tras caídas y realización de análisis paramétricos para diferentes alturas y ángulos de impacto, reduciendo costos y tiempos de desarrollo.
Figura 3 – Simulación de caída de un smartphone.
- Pruebas de flexión y rigidez estructural: Evaluación de la resistencia mecánica de las baterías y dispositivos ante cargas de flexión accidentales, conforme a normas IEC 61189-2:TM20, IPC TM-650 y ASTM D790. Uso de Ansys Mechanical para simular la prueba de flexión en tres puntos, permitiendo predecir la rigidez estructural de diferentes componentes, identificar puntos críticos sujetos a fallas por estrés excesivo y optimizar el diseño para mayor durabilidad, especialmente en dispositivos más delgados.
Figura 4 – Simulación de flexión y rigidez estructural de un smartphone.
- Pruebas de touchscreen y confiabilidad funcional: Evaluación del rendimiento y la respuesta táctil de las pantallas sensibles al tacto, esenciales para la usabilidad de los smartphones. Uso de Ansys Mechanical para modelado viscoelástico, permitiendo analizar retrasos en la respuesta y variaciones en la relación señal-ruido (SNR). La simulación proporciona información clave sobre la confiabilidad funcional del touchscreen, garantizando una mejor experiencia de usuario y mayor durabilidad del componente.
Figura 5 – Prueba de touchscreen (video).
- Pruebas de durabilidad de cables: Evaluación de la resistencia de los cables de alimentación de smartphones ante miles de ciclos de conexión y desconexión, así como a flexiones accidentales, según las normas IEC 60884-1 e IEC 60320-1. Uso de Ansys Explicit Dynamics para simular el proceso de inserción del cable, prever la fuerza de inserción y la vida útil por fatiga, además de analizar el impacto de la flexión con masa adicional en el extremo del cable. La simulación permite validar la confiabilidad de los cables en las primeras fases del diseño, asegurando mayor durabilidad y resistencia.
Figura 6 – Prueba de durabilidad de cables (video).
En un mercado donde la seguridad y la confiabilidad son primordiales, el uso de herramientas de simulación en el desarrollo de baterías de litio y dispositivos electrónicos se vuelve indispensable para anticipar problemas, reducir costos y garantizar la integridad de los dispositivos que forman parte de nuestra vida cotidiana. No solo este mercado ha crecido de forma exponencial, sino también el mercado de vehículos eléctricos, que igualmente utilizan tecnologías de baterías de litio y presentan el mismo riesgo para la seguridad.
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