FUGA TÉRMICA EM BATERIAS DE LÍTIO ÍON
A fuga térmica da célula refere-se ao auto aquecimento rápido de uma célula derivada da reação química exotérmica do eletrodo positivo altamente oxidante e do eletrodo negativo altamente redutor.
Isso pode ocorrer com baterias de quase qualquer substância química. Em uma reação descontrolada térmica, uma célula libera rapidamente sua energia armazenada. Quanto mais energia uma célula armazena, mais energética será a reação térmica descontrolada.
Uma das razões pelas quais as reações térmicas das células de lítio íon podem liberar muita energia é que essas células possuem densidades de energia muito alta em comparação com outras químicas celulares. A outra razão pela qual as reações de fuga térmicas das células de lítio íon podem ser muito energéticas é porque essas células contêm eletrólito inflamável e, assim, elas não apenas armazenam energia elétrica na forma de energia potencial química, mas também armazenam energia química apreciável (especialmente em comparação com células com eletrólitos à base de água) na forma de materiais combustíveis.
Para o início da fuga térmica da célula (ou ignição de combustível), a taxa de geração de calor deve exceder a taxa de perda de calor. Como discutido acima, o auto aquecimento dos ânodos grafíticos das baterias de lítio íon na presença de eletrólito inicia-se a temperaturas na faixa de 70 a 90°C.
Assim, se uma célula é levada a essa temperatura inicial em um ambiente adiabático, ela eventualmente se auto aquece até o ponto em que a fuga térmica começa.
Para uma célula 18650 típica, totalmente carregada, levada à sua temperatura de auto aquecimento, a fuga térmica ocorrerá após aproximadamente dois dias se a célula estiver bem isolada. Se a temperatura inicial for mais alta, o tempo para a fuga térmica será menor.
Por exemplo, se uma célula típica de lítio íon for colocada em um forno a mais de 150°C, de modo que ocorra a fusão do separador, ocorrerá um aquecimento adicional devido ao curto-circuito entre os eletrodos e a fuga térmica da célula será iniciada em minutos.
No entanto, se for permitido que o calor escape, o tempo para a fuga térmica pode ser mais longo ou mesmo a célula nunca poderá alcançar a fuga térmica.
Os padrões estabelecidos pela UL exigem que as células totalmente carregadas suportem armazenamento prolongado a 70 ou 75°C por quatro horas ou mais e condições de curta exposição durante dez minutos a 130°C. Os padrões IEEE requerem armazenamento a 130°C por uma hora.
A gravidade de uma fuga térmica em uma célula de lítio íon dependerá de vários fatores, incluindo o estado de carga, a temperatura ambiente, o projeto eletroquímico da célula e as características mecânicas da célula tais como o tamanho, o volume de eletrólitos, etc.
Para qualquer célula, a reação de fuga térmica será mais grave quando essa célula estiver completamente carregada. Se uma célula típica de lítio totalmente carregada (ou sobrecarregada) sofre uma reação descontrolada térmica, várias coisas ocorrem.
- Aumento na temperatura interna da célula
Para células totalmente carregadas, essas temperaturas podem atingir mais de 600°C. Para baterias de LiFePO4 as temperaturas das células são geralmente mais baixas. O aumento da temperatura é impulsionado por reações dos eletrodos com eletrólito e liberação de energia armazenada.
Alguns materiais catódicos se decompõem e podem alterar sua estrutura cristalina. Essa alteração estrutural pode resultar na liberação de pequenas quantidades de oxigênio que podem participar de reações internas à célula como por exemplo, oxidação do coletor de corrente de alumínio.
Esse fato levou a um equívoco de que as células de lítio íon queimam vigorosamente porque produzem seu próprio oxigênio. Esta ideia está incorreta. Nenhuma quantidade significativa de oxigênio é encontrada nos gases de ventilação da célula.
Qualquer produção interna de oxigênio afetará a reatividade interna da célula, a temperatura interna da célula e a temperatura do invólucro da célula, mas não desempenha nenhum papel mensurável na inflamabilidade dos gases de ventilação.
O aumento da temperatura interna resulta na fusão e decomposição do separador e, geralmente, no coletor de corrente de alumínio, que ocorre a 660°C.
O alumínio líquido pode ligar-se a qualquer cobre exposto dentro da célula. Algumas ligas de cobre e alumínio têm pontos de fusão tão baixos quanto 548°C; portanto, é provável que ocorram danos aos coletores internos de corrente de cobre.
As temperaturas produzidas pelas reações de fuga térmicas das células são consideradas suficientes para causar a ignição na superfície quente de misturas inflamáveis, mas não atingem níveis que causem o derretimento de cobre puro (1.080°C), níquel ou aço.
- Aumento na pressão interna da célula
Isso ocorre porque o eletrólito aquecido vaporiza e se decompõe, e alguns materiais catódicos também podem se decompor, liberando gás.
Em uma bolsa ou célula prismática, isso resultará em inchaço celular. Para um projeto cilíndrico típico, não ocorrerá um inchamento acentuado.
No entanto, se uma célula cilíndrica tiver sido suficientemente aquecida, geralmente de uma fonte externa, as paredes da caixa podem amolecer o suficiente para permitir o abaulamento da base da célula.
- Ventilação da célula
Entende-se por ventilação da célula a liberação de gases decorrentes das reações químicas internas. Em uma célula de lítio polímero que tem involucro externo (bolsa) bastante frágil se comparado às células cilíndricas, as vedações falham a temperaturas razoavelmente baixas, resultando em ventilação de baixa pressão.
As células ficam estufadas e se a produção interna de gases for acentuada pode haver o rompimento da bolsa, muitas vezes produzindo um som audível.
As baterias de lítio íon cilíndricas normalmente tem uma válvula que permite a ventilação da célula.
As baterias de lítio íon prismáticas podem ter uma válvula de ventilação instalada, usualmente em células de grande tamanho ou podem incorporar pontos fracos no seu invólucro metálico que permitem a ventilação caso necessário.
A ventilação de pequenas células prismáticas é geralmente acompanhada por um estalo alto.
Em pequenas aplicações de célula única, como por exemplo telefones celulares, a ventilação geralmente faz com que a célula seja ejetada do dispositivo.