DEFEITOS DE FABRICAÇÃO EM BATERIAS DE LÍTIO ÍON
A S.T.A. trabalha com baterias de lítio íon desde 2010. De acordo com nossa experiência, os eventos relatados nos parágrafos anteriores apesar de serem possíveis são extremamente raros, principalmente para células cilíndricas de boa procedência.
As células de lítio íon comerciais de fabricantes idôneos são submetidas a rigorosos testes de confiabilidade e segurança, incluindo testes mecânicos e elétricos (simulação de abusos).
Além disso as baterias de equipamentos eletrônicos disponíveis no mercado tais como celulares e notebooks, possuem dispositivos de proteção redundantes para evitar sobrecarga da célula e outras condições potencialmente prejudiciais ou inseguras.
Em packs de baterias com muitas células de lítio íon se usam várias proteções, descritas em detalhes nos próximos capítulos deste livro. Os invólucros metálicos externos das células cilíndricas são bastante resistentes à perfurações e esmagamentos. Os packs de baterias devem ser projetados para impedir o abuso mecânico, elétrico e térmico. No entanto, falhas de fuga térmica ainda podem ocorrer e são causadas por falhas internas das células relacionadas a defeitos de fabricação.
Existem inúmeras falhas que podem ocorrer durante a fabricação das células que podem resultar em reações descontroladas térmicas das células. Fundamentalmente, problemas em qualquer etapa do processo de fabricação da célula podem resultar em uma falha interna da célula.
Por exemplo, pode haver defeitos nas matérias-primas das células, defeitos nos revestimentos dos eletrodos, contaminantes introduzidos durante os processos de montagem e componentes extraviados, mal aplicados ou danificados.
Dispositivos de proteção externos não podem proteger contra curtos circuitos repentinos, porém a detecção do desequilíbrio acentuado na tensão das células de um pack de baterias permite desativar as baterias, impedindo danos significativos.
Uma falha interna da célula resulta em um curto-circuito dentro da célula. Se o ponto de curto-circuito for pequeno (um micro curto), o desligamento do separador, ou seja, o bloqueio físico do transporte de íons de lítio em uma região localizada dentro da célula pode isolar a falha e permitir que a célula continue funcionando normalmente.
Se o ponto de curto-circuito libera energia suficiente, ele pode aquecer a célula além dos limites de estabilidade térmica e causar fuga térmica da célula.
Falhas internas relacionadas a defeitos de fabricação geralmente ocorrem muito cedo na vida de uma célula. Esses tipos de falhas podem ocorrer nas linhas de montagem do fabricante nas quais as células estão sendo carregadas ou nas mãos dos consumidores: um usuário compra um dispositivo, conecta-o à carga e, durante essa primeira carga, as células sofrem fuga térmica.
Essas falhas ocorrem inevitavelmente durante ou imediatamente após o carregamento. Existem algumas razões possíveis para esse fenômeno:
- O carregamento da célula causa alterações dimensionais nos componentes celulares, por exemplo expansão de volume e aumento da pressão no interior da célula. Se um contaminante agudo ou rebarba estiver presente dentro de uma célula, alterações dimensionais ou aumentos de pressão podem fazer com que perfure as camadas separadoras e causar curto-circuito direto.
- O carregamento fornece energia elétrica para a célula, elevando seu estado de carga e aumentando as chances de fugas térmicas.
- O carregamento fornece energia para qualquer ponto de curto-circuito dentro de uma célula. Se um ponto de curto-circuito estava presente em uma célula antes do carregamento, isso pode ter causado a descarga automática da célula antes da geração de calor suficiente para induzir a fuga térmica. No entanto, quando conectado a um carregador, um curto pode consumir energia continuamente até que a fuga térmica seja iniciada.
Existem várias técnicas de controle de qualidade de fabricação que são comumente empregadas para detectar defeitos graves. No entanto, defeitos muito sutis podem deixar de ser notados durante a fabricação e permitir anos de ciclo celular aparentemente normal antes que ocorra uma reação térmica descontrolada.
A gravidade de uma falha nas células de lítio íon será fortemente afetada pela energia total armazenada nessa célula: uma combinação de energia química e energia elétrica.
Assim, a gravidade de um evento potencial de fuga térmica pode ser atenuada reduzindo a energia química armazenada.
A redução da energia elétrica pode ser feita usando eletrodos de baixa capacidade ou reduzindo o SOC da célula.
Finalmente, alterar o ambiente de transferência de calor de uma célula e, assim, afetar a remoção de energia também pode influenciar a severidade da fuga térmica.
A química das células de lítio íon pode afetar a gravidade de uma falha da célula. Certos materiais de cátodo permitem densidades de energia mais altas do que outros, e as células produzidas a partir desses materiais de alta densidade de energia estarão sujeitas a reações térmicas mais severas.
As reatividades do material do cátodo são frequentemente examinadas e usadas para comparar a relativa "segurança" do cátodo. Isso pode ser um fator para determinar se uma falha localizada dentro da célula pode causar aquecimento suficiente para levar a célula inteira à fuga térmica.
No entanto, uma vez que uma célula atinge a fuga térmica, a gravidade final da reação é dominada pelo fato de a própria célula atingir temperatura suficiente para inflamar gases de ventilação inflamáveis. A ignição de superfície quente geralmente requer temperaturas bem acima das temperaturas de autoignição do gás - para hidrocarbonetos, geralmente na faixa de 600 a 1.200°C, dependendo da composição e de vários fatores geométricos das superfícies aquecidas.
Assim, se o material do cátodo tiver densidade de energia suficientemente baixa para garantir que uma célula permaneça abaixo de 600 °C durante a fuga térmica, a gravidade da reação da fuga térmica não será afetada significativamente pela química do cátodo.
A aplicação de aditivos retardadores de chama nos eletrólitos celulares e o desenvolvimento de eletrólitos não inflamáveis ??continuam sendo áreas de estudo ativas.
Observou-se que a grande maioria das reações descontroladas térmicas que ocorrem no campo ocorrem durante ou logo após o carregamento da célula.
Do ponto de vista energético, é improvável que a fuga térmica da célula ocorra em uma célula com um SOC baixo.
Testes mostram que, para muitas células de lítio, mesmo o esmagamento severo de células abaixo de aproximadamente 50% de SOC não levaria a uma reação grave.
O teste de uma variedade de 18650 células à temperatura ambiente demonstrou que abaixo de 50% de SOC, a célula o curto-circuito causará aquecimento nas temperaturas da caixa da célula até aproximadamente 130°C, seguido pelo resfriamento da célula.
Ao testar um modelo comercial de células de óxido de cobalto, os pesquisadores descobriram o início do auto aquecimento a 80°C para células com 100% SOC e a 130°C para células com 0% SOC.
Testes diretos de curto-circuito111 mostraram que a redução do SOC reduz significativamente a temperatura máxima alcançada no ponto de curto-circuito.
Finalmente, o ambiente de transferência de calor de uma célula submetida a uma reação descontrolada térmica pode desempenhar um papel importante na gravidade da reação.
Altas temperaturas ambientes ou isolamento adiabático aumentam a probabilidade de que qualquer falha interna possa levar uma célula a fuga térmica e aumenta a energia disponível para aquecer a célula.
Por outro lado, se uma célula é cercada por meios condutores térmicos (por exemplo, cercados por células densamente compactadas ou refrigerante), a perda de calor pode impedir ou mitigar uma reação descontrolada térmica. Se as células forem montadas muito próximas e não forem aquecidas o suficiente, a fuga térmica em uma célula poderá se propagar para as células próximasVários pesquisadores experimentaram incorporar células em materiais que podem melhorar a transferência de calor para longe das células. Muitos fabricantes limitam as dimensões da célula para garantir que um curto-circuito externo não cause aquecimento interno suficiente para conduzir uma célula para a fuga térmica.