Como impedir a explosão de baterias de íons de lítio devido à fuga térmica?

A fuga térmica é um problema antigo que incomoda grandes corporações como Tesla , Samsung , e Boeing e pequenos igualmente.

O Dreamliner 787 da Boeing, que a Boeing anunciou como 20% eficiente em termos de combustível, foi aterrado em 2013. No mesmo ano, o Modelo S da Tesla foi submetido a uma investigação de segurança federal depois de pegar fogo pelo menos 3 vezes. No ano passado, a Samsung fez recall de 2,5 milhões de smartphones Galaxy Note 7.

Para todas as três empresas, que são os principais intervenientes no seu domínio, o problema era o mesmo – as baterias de iões de lítio instaladas no coração do seu produto como fonte de energia. As baterias de íons de lítio instaladas no Tesla Model S, Dreamliner 787 e Galaxy Note 7 explodiam continuamente.

Por que uma bateria de íon de lítio explode inesperadamente?

As baterias de íon de lítio são o tipo de bateria mais usado em diversos setores, mas você sabe o que as torna perigosas? Se você é um pesquisador que trabalha com baterias de íon-lítio, sabe que uma das principais razões pelas quais a maioria das baterias de íon-lítio explode é a fuga térmica.

O que é fuga térmica e por que é a principal causa de explosões de baterias?
Nas baterias de íon de lítio, o cátodo e o ânodo são separados por um separador fino – às vezes de 10 mícrons – de polietileno. Quando esse separador se rompe, ocorre um curto-circuito que inicia o processo denominado fuga térmica.

A fuga térmica geralmente ocorre durante o carregamento. A temperatura sobe rapidamente até o ponto de fusão do lítio metálico e provoca uma reação violenta.

Outra razão importante por trás da fuga térmica são outras partículas metálicas microscópicas que entram em contato com diferentes partes da bateria (isso acontece o tempo todo no processo de montagem da bateria), resultando em um curto-circuito.

Normalmente, um curto-circuito leve pode causar uma autodescarga elevada e pouco calor é gerado porque a energia de descarga é muito baixa. Mas, quando um número suficiente de partículas metálicas microscópicas convergem para um ponto, um grande curto-circuito pode se desenvolver e uma corrente considerável fluirá entre as placas positiva e negativa.

Isso faz com que a temperatura suba, levando a uma fuga térmica, também conhecida como 'ventilação com chama'.

Durante uma fuga térmica, o alto calor da célula em falha pode se propagar para a próxima célula, fazendo com que ela também se torne termicamente instável. Em alguns casos, ocorre uma reação em cadeia na qual cada célula se desintegra no seu próprio ritmo.

Por que a explosão de baterias de íons de lítio é um problema importante para todos?

O smartphone no seu bolso é alimentado por um Bateria de íon de lítio . Elas são um dos tipos mais populares de baterias recarregáveis ​​para eletrônicos portáteis devido à sua alta densidade de energia, pequeno efeito de memória e baixa autodescarga.

Além dos eletrônicos de consumo, as baterias de íon de lítio são populares para aplicações militares, de veículos elétricos e aeroespaciais. Por exemplo, as baterias de iões de lítio substituíram as baterias convencionais de chumbo-ácido que têm sido utilizadas historicamente em carrinhos de golfe e veículos utilitários.

O tamanho do mercado global de baterias de íons de lítio deverá atingir US$ 46,21 bilhões até 2022, com um CAGR de 10,8% durante o período 2016-2022.

Por algo que se tornou parte integrante da nossa vida quotidiana a um ritmo tão rápido, estaríamos de facto a arriscar as nossas vidas tendo estas baterias à nossa volta.

Dadas as suas aplicações, não são facilmente substituíveis, mas se o problema da fuga térmica pudesse ser resolvido, o equilíbrio seria restaurado no paraíso.

Como podemos prevenir a fuga térmica em Baterias de íon de lítio ?

1. Apresentando um retardador de chama
A fuga térmica geralmente ocorre devido a furos e carregamento inadequado. Para combater tais riscos de incêndio, os inventores utilizaram um fluido térmico que contém um retardador de chama.

Um retardador de chama é um composto que inibe, suprime ou retarda a produção de chamas ou impede a propagação do fogo.

Aqui eles microencapsularam o retardador de chama (geralmente um composto de bromo) em polietileno de alta densidade e adicionaram água e um composto de glicol para preparar o fluido térmico utilizado. O composto de glicol é usado aqui como “anticongelante” (compostos de glicol comuns usados ​​são etilenoglicol, dietilenoglicol e propilenoglicol).

Além disso, a invenção é discutida principalmente à luz das baterias EV. Uma bateria, quando chamada para alimentar um veículo elétrico, aquece. O fluido térmico flui através do recipiente e sobre os módulos da bateria.

No caso de uma sobrecarga ou de um acidente de automóvel que resulte num furo da bateria, o retardador de chama do fluido térmico atua para reduzir o risco de incêndio. Mais precisamente, as microcápsulas de composto de bromo rompem quando a temperatura de ruptura é atingida devido ao excesso de calor do fogo. O retardador de chama é liberado das microcápsulas e atua para controlar o fogo.

2. Usando Dispositivos Iniciadores de Danos
Os Regentes da Universidade da Califórnia parecem estar bastante ativos na pesquisa de como lidar com o problema da fuga térmica.

Em 2006, eles registraram uma patente relacionada a eletrólitos poliméricos de alto módulo elástico adequados para prevenir fuga térmica (US8703310). Um conjunto diferente de inventores registrou esta patente (ou seja, US'535) em 2013, sobre a mitigação da fuga térmica usando materiais ou dispositivos que iniciam danos.

Mais precisamente, eles desenvolveram um mecanismo de desligamento por fuga térmica que pode ser acionado mecanicamente ou termicamente (ou ambos), conforme ocorrem danos à bateria (ou seja, antes ou logo após o início da fuga térmica) e cuidam do problema antes mesmo que ele comece. .

Tais contramedidas preditivas ou instantâneas são especialmente necessárias quando uma bateria é submetida a impacto ou alta pressão (como um acidente como mencionei também para a patente anterior US'886) e sua estrutura interna é danificada, causando curto-circuito interno.

O princípio básico sobre o qual funciona é: à medida que uma carga mecânica é aplicada à bateria, os iniciadores de danos podem provocar danos generalizados ou destruição do eléctrodo, de modo que a resistência interna aumenta significativamente para mitigar a fuga térmica, mesmo antes de acontecer.

Aqui eles falaram sobre dois tipos de iniciadores de danos –

Iniciadores de dano passivo

Esses iniciadores iniciam rachaduras ou vazios nos eletrodos após o impacto, e tais rachaduras e/ou vazios aumentam a impedância interna do eletrodo e, assim, reduzem a geração de calor associada a um possível curto-circuito interno. Esses aditivos são conhecidos como iniciadores de fissuras ou vazios (CVIs).

Os danos ao eletrodo podem ser causados ​​por descolamento ou incompatibilidade de rigidez das interfaces CVI-eletrodo, fratura e ruptura do CVI, etc. Exemplos de aditivos passivos incluem partículas sólidas ou porosas, fibras sólidas ou ocas/porosas e tubos, etc. pode ser formado a partir de materiais de carbono, como grafite, nanotubos de carbono, carvões ativados, negros de fumo, etc.

Iniciador de dano ativo

Esses iniciadores podem produzir uma mudança significativa de volume ou forma após uma carga mecânica ou térmica. Os iniciadores de dano ativo podem incluir partículas sólidas ou porosas, esferas sólidas ou ocas, fibras e tubos sólidos ou ocos/porosos, etc. Os iniciadores de dano ativo podem ser formados a partir de ligas com memória de forma, como Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni —Ti—Pt, etc.

Os produtos químicos liberados durante fuga térmica pode ser tóxico e, em casos extremos, a fuga térmica pode causar incêndios elétricos e/ou explosão de baterias. A temperatura do ar ambiente no ambiente da bateria também deve ser mantida adequadamente. O controle desses fatores reduz o potencial de fuga térmica .

fonte: https://www.greyb.com/prevent-thermal-runaway-problem-li-ion-batteries/