Atualmente, diversas montadoras utilizam baterias de lítio em larga escala em seus veículos, e a densidade energética está cada vez maior. No entanto, a segurança dessas baterias ainda gera preocupação, e essa não é uma solução ideal para o problema. A fuga térmica é o principal objeto de pesquisa no que diz respeito à segurança de baterias de alta potência, e merece atenção especial.
Primeiramente, vamos entender o que é fuga térmica. A fuga térmica é um fenômeno de reação em cadeia desencadeado por diversos fatores, resultando na emissão de uma grande quantidade de calor e gases nocivos pela bateria em um curto período de tempo, podendo inclusive causar incêndio e explosão em casos graves. Existem muitas razões para a ocorrência de fuga térmica, como superaquecimento, sobrecarga, curto-circuito interno, colisão, etc. A fuga térmica da bateria geralmente começa com a decomposição da película SEI negativa na célula da bateria, seguida pela decomposição e fusão do diafragma, resultando na fusão do eletrodo negativo e do eletrólito. Posteriormente, ocorre a decomposição tanto do eletrodo positivo quanto do eletrólito, desencadeando um curto-circuito interno em larga escala, que causa a combustão do eletrólito, a qual se espalha para outras células, causando uma fuga térmica grave e permitindo que toda a bateria entre em combustão espontânea.
As causas da fuga térmica podem ser divididas em causas internas e externas. As causas internas geralmente são decorrentes de curtos-circuitos internos; as causas externas são decorrentes de abuso mecânico, abuso elétrico, abuso térmico, etc.
Um curto-circuito interno, que é o contato direto entre os terminais positivo e negativo da bateria, varia muito no grau de contato e na reação subsequente. Normalmente, um curto-circuito interno de grande magnitude, causado por abuso mecânico e térmico, desencadeia diretamente uma fuga térmica. Em contrapartida, curtos-circuitos internos que se desenvolvem espontaneamente são relativamente pequenos, e o calor gerado é tão reduzido que não desencadeia imediatamente uma fuga térmica. O desenvolvimento espontâneo de curtos-circuitos internos geralmente inclui defeitos de fabricação, deterioração de diversas propriedades causada pelo envelhecimento da bateria, como aumento da resistência interna, depósitos de lítio metálico causados por uso indevido moderado a longo prazo, etc. Com o passar do tempo, o risco de curto-circuito interno causado por essas causas internas aumenta gradualmente.
O termo "abuso mecânico" refere-se à deformação do monocristal e do conjunto de baterias de lítio sob a ação de forças externas, bem como ao deslocamento relativo de suas diferentes partes. As principais formas de dano à célula elétrica incluem colisão, compressão e perfuração. Por exemplo, o impacto de um objeto estranho por um veículo em alta velocidade pode levar ao colapso do diafragma interno da bateria, causando um curto-circuito e, em pouco tempo, combustão espontânea.
O uso indevido de baterias de lítio geralmente inclui curto-circuito externo, sobrecarga, descarga excessiva e outras formas de danos, sendo que a sobrecarga pode levar ao descontrole térmico. Um curto-circuito externo ocorre quando dois condutores com diferença de potencial são conectados fora da célula. Curtos-circuitos externos em baterias podem ser causados por deformações provocadas por colisões de veículos, imersão em água, contaminação dos condutores ou choque elétrico durante a manutenção. Normalmente, o calor liberado por um curto-circuito externo não aquece a bateria como ocorre em um furo. A ligação crucial entre um curto-circuito externo e o descontrole térmico é a temperatura que atinge o ponto de superaquecimento. É quando o calor gerado pelo curto-circuito externo não pode ser dissipado adequadamente que a temperatura da bateria aumenta e a alta temperatura desencadeia o descontrole térmico. Portanto, interromper a corrente de curto-circuito ou dissipar o excesso de calor são maneiras de impedir que o curto-circuito externo cause danos adicionais. A sobrecarga, devido à sua alta energia, é um dos maiores riscos de uso indevido de baterias. A geração de calor e gases são duas características comuns do processo de sobrecarga. O calor gerado provém do calor ôhmico e de reações secundárias. Primeiramente, dendritos de lítio crescem na superfície do ânodo devido à incorporação excessiva de lítio.
Medidas de proteção contra fuga térmica:
Na fase de autogeração de calor para inibir a fuga térmica do núcleo, temos duas opções: uma é aprimorar e atualizar o material do núcleo, visto que a essência da fuga térmica reside principalmente na estabilidade dos materiais dos eletrodos positivo e negativo e do eletrólito. No futuro, também precisaremos realizar avanços significativos no revestimento do material do cátodo, na modificação, na compatibilidade do eletrólito homogêneo e do eletrodo, e na melhoria da condutividade térmica do núcleo. Ou escolher um eletrólito com alta segurança para desempenhar o efeito retardante de chamas. Em segundo lugar, é necessário adotar soluções eficientes de gerenciamento térmico (Aquecedor de líquido refrigerante PTC/ Aquecedor de ar PTC) do exterior para suprimir o aumento da temperatura da bateria de íon-lítio, de forma a garantir que a película SEI da célula não atinja a temperatura de dissolução e, naturalmente, que não ocorra fuga térmica.
Data da publicação: 17/03/2023
