Figura 1 – Bateria de lítio polímero estufada

 

 

A segurança da bateria de lítio-íon despertou grande interesse pelo público nos últimos anos. Esta tecnologia de bateria tem aumentado sua participação no mercado desde os anos 2000. Está associada ao desenvolvimento do mercado de equipamentos sem fio, tais como telefones celulares, computadores portáteis, ferramentas elétricas e veículos elétricos. Na Europa é a tecnologia de bateria preferida para e-bikes e já está sendo utilizada em carros híbridos e veículos elétricos completos.

O número de baterias recarregáveis ??de lítio íon usadas em aplicações sem fio é bem superior a um bilhão de unidades por ano e espera-se que ele cresça ainda mais. Isso mostra que apesar de terem ocorrido alguns problemas de segurança, a tecnologia das baterias lítio íon é bastante segura.

 

Para garantir um uso seguro das baterias de lítio íon são necessárias algumas medidas. O primeiro passo da abordagem de gerenciamento de segurança começa com uma análise das funções da bateria e suas interações com o meio ambiente. Isso é chamado de análise de perigo preliminar ou identificação de perigo.

Esta fase, destina-se a cobrir todos os aspectos do ciclo de vida: design e qualificação, fabricação, transporte, uso e fim da vida. Isso resulta em uma lista de perigos potenciais para uma determinada aplicação e o nível de segurança associado. Limitar as consequências do perigo potencial no meio ambiente é um importante caminho: isso tem que ser desenvolvido em coordenação com a aplicação, a fim de estabelecer medidas de proteção eficientes.

 

Na prática, nenhum "dispositivo único" é capaz de cumprir todas as funções para a proteção da bateria. O gerenciamento de segurança é obtido com uma combinação de escolhas de tecnologia e materiais para aperfeiçoar o desempenho versus a reatividade dos materiais.

 

Deve-se atuar em três níveis.

 

 - No nível da célula

 

 1- Utilização de componentes de boa qualidade nos eletrodos e separadores

 2 - A célula deve possuir válvula de segurança para aliviar a pressão interna excessiva

 3 - A célula deve possuir dispositivo para interromper correntes excessivas

 

 - No nível das placas de circuito impresso embarcadas dentro da bateria (BMS)

 

 1 - Proteção contra corrente de carga excessiva

 2 - Proteção contra corrente de descarga excessiva

 3 - Proteção contra descarga abaixo do valor mínimo de tensão

 4 - Balanceamento das baterias

 5 - Proteção contra temperaturas excessivas

 

 - No nível do equipamento que utiliza as baterias

 

 1 - Medida da tensão e corrente da bateria com desligamento da carga em caso de pane

 2 - Medida da temperatura com desligamento da carga em caso de pane.

 3 - Proteções contra surtos de tensão provenientes da rede elétrica que alimenta o equipamento.

 

Dependendo do tipo de célula, baterias de lítio íon podem ser surpreendentemente robustas ou incrivelmente frágeis. Células cilíndricas são geralmente bastante fortes devido à sua caixa de metal. Apesar disso, as baterias não deveriam ser deixadas sem uma proteção adequada, como um estojo plástico para evitar curto-circuito. Baterias prismáticas normalmente também são bastante robustas, devendo-se apenas tomar cuidados para evitar curto-circuito.

Porém as células de lítio íon polímero, precisam ser manuseadas com cuidado. Não têm qualquer proteção contra serem cortadas, esmagadas, dobradas ou rasgadas. Elas também geralmente têm seus terminais positivos e negativos do mesmo lado da célula, tornando-se perigosamente fácil de colocá-los em curto-circuito.

 

Para resumir, as células da bateria de lítio íon são inerentemente perigosas. Elas contêm uma grande quantidade de energia em uma embalagem pequena e são projetadas para fornecer essa energia rapidamente. Mas usando as devidas precauções e princípios de funcionamento seguros, as células são tão seguras quanto possível para nossos usos normais.

De fato, as baterias de Lítio íon contêm vários componentes que podem, em condições específicas, reagir e gerar calor ou chamas.

Os componentes utilizados em uma célula de lítio íon são completamente estáveis ??até 80°C.

 

As temperaturas de baterias de lítio íon nunca devem exceder 130ºC. Uma temperatura ligeiramente superior a 130ºC, faz com que o eletrólito nas células se oxide a uma taxa que cria tanto calor que causa aumento na taxa de oxidação o que por sua vez causa mais aumento de temperatura e a bateria irá queimar até se consumir. Esse fenômeno é conhecido como fuga térmica.

A temperatura na qual a fuga térmica começa varia de uma célula para outra. Células de lítio cobalto podem entrar em fuga térmica em temperaturas como 150ºC, enquanto as células NMC geralmente atingem a fuga térmica perto de 180ºC. Ambos os produtos químicos podem atingir temperaturas de mais de 500ºC no pico da fuga térmica.

 

O aparecimento de fuga térmica varia muito em baterias de LiFePO₄, mas usualmente começa em torno de 200ºC.

O efeito físico sobre as células em grande parte depende do tipo de célula. Células cilíndricas como a 18650 possuem um mecanismo de ventilação sobre o terminal positivo da célula que permite que o gás de escape quando a célula superaquece e se aproxima da fuga térmica.

 

Algumas células prismáticas têm mecanismos de ventilação. Outras células prismáticas e todas as células tipo cartucho não incluem válvulas de ventilação e não terão nenhuma maneira de liberar o acúmulo de pressão na célula.

Se a pressão interna aumenta, a parede da célula pode romper-se, muitas vezes violentamente, liberando gases altamente inflamáveis, incluindo o gás hidrogênio, metano e etileno.

É raro que uma bateria de lítio íon atinja o ponto de fuga térmica durante a sua utilização normal.

 

O maior risco de fuga térmica é quando se usa baterias de lítio íon sob grandes cargas que resultam em uma corrente elevada. Se a corrente for maior do que a célula pode manipular, ela começará a aquecer. Se continuar assim por muito tempo, a célula pode alcançar a fuga térmica. Por esta razão, é sempre importante operar a bateria de lítio íon dentro das especificações de projeto das células.

Esta também é a razão pela qual é recomendável proteger as baterias de lítio íon de qualquer fonte de calor.

As principais consequências do vazamento são a emissão de calor e gás que é inflamável. O design das células e das baterias geralmente integram proteções (como ventilações) para liberar gás sem criar um risco de estourar as células ou baterias.

 

Do mesmo modo, plásticos não inflamáveis ??são usados para ?não gerarem mais calor com sua combustão. O gás emitido contém monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e hidrogênio (H2), bem como vestígios de fluoreto de hidrogênio (HF).

Dependendo da temperatura de emissão de gás e das condições de contato com o ar, o gás pode auto inflamar no ar, adicionando a energia térmica desse processo de combustão adicional ao vazamento térmico. A ignição e a combustão do gás serão evitadas quando, a temperatura dos gases de escape permanecer abaixo de 350 a 400°C.

 

 Para efeito comparativo, a energia de combustão (KJ/Kg) de uma bateria Lítio íon é 17 vezes menor do que a gasolina. Mesmo sendo muito menos inflamável que a gasolina, ainda assim as baterias de Lítio íon podem provocar riscos.

Esse tipo de informação é útil para conscientização dos riscos associados à utilização das baterias lítio íon.

 

 

Figura 2 - Comparação da energia de combustão (KJ/Kg)

 

Os riscos potenciais podem não representar o mesmo risco para o usuário, dependendo da aplicação: por exemplo a emissões de gases podem ser consideradas muito perigosas em áreas confinadas como carros, casas, etc., mas não em espaços abertos remotos como fazendas solares, por exemplo.