Fuga térmica em baterias de lítio-íon e métodos para mitigar os efeitos

A fuga térmica é uma reação descontrolada que pode ocorrer em baterias de lítio-íon. Acima de um certo nível, a temperatura da bateria aumenta incontrolavelmente.

Quarta-feira, 5 de maio de 2021

O que é a fuga térmica?

O processo de fuga térmica pode ser acionado pela alta temperatura, e há uma temperatura de início de fuga térmica acima da qual a temperatura da bateria aumentará incontrolavelmente.

A fuga térmica é uma reação descontrolada que pode ocorrer em baterias de lítio-íon. Danos à bateria ou um curto-circuito podem causar a acumulação de calor e pressão na bateria. Se isto atingir um certo nível, desencadeia reações químicas que geram mais calor e pressão, causando um loop de retorno positivo. A fuga térmica pode rapidamente se espalhar de uma bateria para outra, levando a explosões e incêndios catastróficos. Os subprodutos da fuga térmica podem incluir grandes quantidades de hidrogênio inflamável e outros gases tóxicos fluoroorgânicos.

Os possíveis gatilhos de fuga térmica incluem sobrecarregar a bateria, superaquecer a bateria ou expô-la a altas temperaturas, uma taxa de descarga excessivamente alta, um curto-circuito ou danos, tais como um furo.

Qualquer um destes fatores pode desestabilizar os materiais de alta energia da bateria e os componentes orgânicos, fazendo com que eles gerem seu próprio calor. Se este calor não se dissipar com rapidez suficiente, a temperatura da bateria continuará aumentando, o que acelera o processo de liberação de calor.

A fuga térmica afeta os níveis de tensão, temperatura e pressão da bateria. Pouco antes da fuga térmica, a voltagem da bateria cai devido à delaminação dos eletrodos. Reações químicas exotérmicas provocam o aumento da temperatura, enquanto que a geração de gás a partir das reações químicas, juntamente com a evaporação do eletrólito, faz com que a pressão interna da bateria aumente.

Como mitigar a fuga térmica

Para administrar adequadamente uma fuga térmica, é essencial ter certas medidas de segurança em vigor. Estas visam, em primeiro lugar, evitar a fuga térmica e, em seguida, mitigar o impacto negativo e aliviar as preocupações de segurança associadas a este tipo de evento.

Algumas das medidas preventivas de segurança incluem uma caixa de bateria robusta, um sistema de resfriamento eficiente e design e características de controle e proteção. Os aditivos ignífugos podem ser usados tanto no eletrólito quanto no separador para melhorar a estabilidade térmica da bateria e evitar que ela se acenda em primeiro lugar.

Caso as medidas preventivas de segurança falhem, a segunda linha de defesa inclui medidas de segurança contra falhas destinadas a parar ou diminuir os danos causados pela fuga térmica. Uma dessas medidas é o desligamento do separador. Uma vantagem do uso de um separador de polímero em gel é que ele também atua como um fusível térmico. O separador derreterá e sua estrutura se quebrará muito antes que a temperatura da bateria atinja o limite para a fuga térmica. Isto pára o transporte de íons de lítio, desligando efetivamente a célula da bateria. O único problema é que o separador leva tempo para cair, de modo que o desligamento do separador não interromperá completamente todas as reações químicas e a temperatura pode continuar a subir - e a fuga térmica pode continuar.

Neste ponto, os gases inflamáveis se acumularão dentro da bateria, aumentando ainda mais a pressão e a temperatura. A fuga térmica não pode mais ser interrompida, e assim as medidas de segurança para limitar o impacto entram em jogo. Um mecanismo de ventilação liberará esses gases de forma controlada e não em uma explosão descontrolada. Ele também liberará calor e pressão da bateria para reduzir o risco de um curto-circuito ou ruptura da bateria.

Exemplo de mecanismos de ventilação do compartimento da bateria

Um exemplo de um mecanismo de ventilação é o disco de ruptura PRO-LP. Este disco de ação inversa é projetado para romper com precisão nas baixas pressões associadas às caixas de bateria. Ele é pontuado em torno da periferia do disco, portanto, se a pressão aumentar até um ponto crítico, o disco se romperá na pontuação para oferecer alívio imediato da pressão. Além disso, o projeto de baixo perfil e alta integridade do PRO-LP atende às especificações de protrusão e oferece abertura imediata e total para ventilação rápida (aproximadamente 4 milissegundos) para reduzir o risco de propagação de fuga da bateria.

Uma solução alternativa com um perfil ainda mais baixo é o Disco Composto Plano. A protrusão é mínima, e o disco composto de ação avançada irá estourar com precisão a pressões ultra-baixas sem comprometer a integridade do projeto.

Finalmente, para aplicações de baterias maiores (isto é, em escala de grade), onde é necessária uma área de ventilação adicional, nossa linha de ventiladores de explosão em MV oferece ventilação de baixo perfil com a flexibilidade de estar disponível em tamanhos, formas e pressões personalizadas para atender às suas necessidades. Muitos desses respiradouros não requerem estrutura, reduzindo assim o custo total ao mesmo tempo em que atenuam os riscos associados à sobrepressurização. O projeto do respiradouro suporta ainda mais confiabilidade e desempenho aprimorados.

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