ABUSO ELÉTRICO EM BATERIAS DE LÍTIO ÍON
Há várias maneiras pelas quais as células de lítio íon podem ser abusadas eletricamente, levando a reações térmicas das células. Alguns desses mecanismos são descritos abaixo.
- Sobrecarga
A sobrecarga de uma célula de lítio íon pode causar degradação significativa do ânodo e do cátodo. No ânodo, a sobrecarga pode causar revestimento, em vez de intercalação de lítio.
O lítio forma dendritos que podem crescer ao longo do tempo e causar curto-circuito interno. O lítio também interage de forma exotérmica com o eletrólito.
No cátodo, a sobrecarga pode causar a remoção excessiva de lítio das estruturas do material do cátodo, de modo que sua estrutura cristalina se torne instável, resultando em uma reação exotérmica.
As reações no ânodo e no cátodo, bem como o curto-circuito do dendrito de lítio, podem empurrar uma célula para fora de seus limites de estabilidade térmica e resultar em uma reação descontrolada térmica.
Quanto mais grave o grau de sobrecarga, maior a probabilidade de ocorrer fuga térmica. Existem algumas maneiras pelas quais uma sobrecarga pode ocorrer.
O modo de sobrecarga mais óbvio é carregar uma célula com tensão muito alta (sobrecarga de sobre tensão). Por exemplo, carregar uma célula com classificação de 4,2V acima de 5V provavelmente causará uma falha energética imediata.
Carregar a célula com correntes excessivas, mas não com voltagens excessivas, também pode causar uma falha de sobrecarga; nesse caso, as regiões localizadas de alta densidade de corrente dentro de uma célula ficarão sobrecarregadas, enquanto outras regiões dentro da célula permanecerão dentro dos limites de tensão apropriados.
Falhas graves de sobrecarga não são comuns em dispositivos eletrônicos de consumo, pois geralmente contêm mecanismos redundantes de proteção contra sobrecarga.
Ocasionalmente, um defeito de projeto ou fabricação pode causar desvio dos mecanismos de proteção e resultar em falhas graves de sobrecarga.
Embora uma sobrecarga severa leve à fuga térmica imediata da célula, uma leve sobrecarga repetida de uma célula pode não causar uma falha por um período prolongado, mas pode resultar em fuga térmica.
- Curto-circuito externo
Descarga de alta corrente (ou carregamento) pode causar aquecimento resistivo dentro das células em pontos de alta impedância. Esse aquecimento interno pode fazer com que as células excedam os limites de estabilidade térmica.
Os pontos de alta impedância podem incluir pontos de solda em uma célula ou superfícies do eletrodo. À medida que o tamanho e a capacidade da célula aumentam, também aumenta a probabilidade de aquecimento por impedância interna, levando a fuga térmica.
As células maiores exibem uma transferência de calor mais lenta para o exterior e geralmente têm capacidades mais altas. Assim, eles têm o potencial de converter mais energia elétrica em calor interno.
Os padrões de teste UL fornecem um requisito mínimo para a resistência externa a curto-circuito da célula: descarga através de uma resistência inferior a 0,1 ohm em um ambiente de 55°C.
As regulamentações de remessa internacional e doméstica exigem que as células ou baterias sejam protegidas contra curtos-circuitos.
A investigação de várias falhas térmicas ocorridas durante o transporte revelou que embalagens inadequadas, particularmente falhas na prevenção de curtos-circuitos, são uma causa comum desses incidentes.
- Excesso de descarga
Simplesmente descarregar demais uma célula de lítio íon para 0V não causará uma reação descontrolada térmica.
No entanto, essa descarga excessiva pode causar danos internos aos eletrodos e coletores de corrente particularmente se essa descarga excessiva se repetir várias vezes podendo levar à fuga térmica.
A maioria dos equipamentos eletrônicos de consumo define limites específicos de tensão de descarga para as baterias de lítio íon, quando a carga elétrica da bateria é desconectada por um interruptor eletrônicos para evitar a descarga excessiva.
Este interruptor é reiniciado após o carregamento. No entanto, esse mecanismo não pode impedir completamente a descarga excessiva.
Por exemplo, uma bateria pode ser descarregada no ponto de corte de baixa tensão e, em seguida, armazenada por um período prolongado de tempo, durante o qual a auto descarga da célula acaba por resultar em descarga excessiva.
A maioria dos circuitos eletrônicos de proteção de packs de baterias permitirá a recarga de células com descarga excessiva, apesar da possibilidade de o eletrodo negativo ser danificado.
Portanto, a descarga excessiva pode causar fugas térmicas das células de lítio íon. Forçar uma célula à inversão de polaridade, carregando-a com tensão de polaridade invertida pode causar fuga térmica.
Os testes UL exigem um requisito mínimo de resistência à descarga excessiva forçada para células usadas em packs multicelulares.
Esses testes foram projetados para simular o mecanismo mais provável de descarga forçada em packs de baterias com várias células ligadas em série.
Essa descarga forçada chegando até a inversão de polaridade pode ocorrer em casos de curto circuito externo ou então com corrente de descarga muito elevada e uma ou mais células tem capacidade menor do que as células vizinhas.
Uma célula de menor capacidade pode ocorrer devido ao envelhecimento do pack de baterias.
Nesse cenário, o fluxo de corrente das células em série de maior capacidade no pack de baterias levará a célula de menor capacidade para a reversão de tensão.
Por isso é importante incluir componentes eletrônicos de proteção que detectem e desativem o carregamento de uma célula danificada. É possível que uma célula possa repetidamente ser forçada a uma descarga excessiva e, finalmente, sofrer uma reação de fuga térmica.
Os testes de células de lítio íon geralmente garantem que as células tenham um desempenho adequado quando novas. No entanto, o envelhecimento celular resultará em degradação inesperada de um componente celular, como um dos eletrodos, o separador ou o eletrólito que pode resultar em falhas térmicas.