Geralmente, a segurança das baterias de íons de lítio engloba a proteção do sistema de bateria contra diversas circunstâncias adversas – condições elétricas, térmicas e ambientais. O objetivo por trás da segurança da bateria é garantir uma operação segura e confiável do pack de bateria em todas as situações, além de minimizar as perdas em caso de eventos perigosos, como o descontrole térmico da bateria.
Riscos de Segurança
Segurança elétrica: Com componentes de alta voltagem em um pack de bateria montado, torna-se extremamente importante manter esses componentes de alta voltagem isolados. Caso contrário, um evento de arco elétrico ou curto-circuito pode comprometer a vida útil da bateria e, pior ainda, pode levar a uma fuga térmica e eventual incêndio da bateria. Esse isolamento elétrico pode ser incorporado em um pack de bateria com o uso de revestimentos dielétricos, preenchedores de lacunas e selos.
Riscos térmicos: As baterias de íon de lítio operam com maior eficiência dentro de uma faixa de temperatura estreita, de 20 a 35 °C. Devido às reações eletroquímicas dentro de uma bateria durante o carregamento ou descarregamento, muito calor é gerado. Se a dissipação de calor não for gerenciada corretamente, isso pode comprometer o desempenho da bateria e, no pior dos casos, levar a uma fuga térmica. Um sistema de controle de temperatura ativo bem projetado permite que o pack de bateria opere na faixa de temperatura ideal. O controle eficiente de temperatura é fornecido por materiais de interface termicamente condutivos e eletricamente isolantes. Esses materiais são aplicados entre a fonte de calor (bateria) e o dissipador de calor (placa/fitas de resfriamento).
Isolamento ambiental: As baterias de alta voltagem podem ser sensíveis à umidade. O empacotamento individual das baterias permite o isolamento da umidade. No entanto, soluções redundantes devem ser incorporadas ao projeto do pack de bateria para garantir segurança adicional contra umidade. Adesivos estruturais, selos extrudados, selos moldados e selos dispensados podem ser usados para vedar os módulos e pack de bateria. Além disso, as baterias contêm componentes tóxicos, como eletrólitos fluorados e metais de transição, que podem contaminar os suprimentos de água e os ecossistemas. Os selos fornecem uma proteção para conter esses elementos dentro do pack até que possam ser descartados adequadamente.
Segurança Térmica da Bateria
O intervalo de temperatura seguro para operação das baterias é definido entre -40 °C (-104 °F) e 80 °C (176 °F). O melhor desempenho é encontrado entre 20 °C (68 °F) e 35 °C (95 °F). Operar em temperaturas extremas é perigoso e pode causar incêndios.
Causas de Fuga Térmica da Bateria
- A Fuga Térmica é descrita como um aumento não controlado na temperatura da célula causado por reações exotérmicas dentro da célula.
- A Propagação da Fuga Térmica (PFT) é a ocorrência sequencial de fuga térmica dentro de um pack de bateria desencadeada pela fuga térmica de uma célula nesse pack de bateria.
O consenso científico sobre a fuga térmica das baterias de íon de lítio ainda está em desenvolvimento. No entanto, existe uma vasta literatura que fornece uma compreensão ampla do processo que ocorre dentro de uma célula e que leva à sua fuga térmica.
O início do superaquecimento é mais provavelmente causado por um defeito de fabricação que leva a um curto-circuito interno e a uma subsequente elevação súbita de corrente. Esse curto-circuito interno também pode resultar da compressão da célula, formação de dendritos de lítio, sobrecarga/descarga ou calor externo. A elevação súbita de corrente produz um pico de temperatura. Se não dissipado rapidamente, isso resulta na fusão do separador, decomposição da camada SEI e exposição do ânodo. Conforme a temperatura aumenta ainda mais, o catodo se decompõe, e o oxigênio é liberado da estrutura de grade do catodo. Um ciclo de incêndio auto-sustentável é formado com combustível na forma de eletrólito, oxigênio e calor. A uma temperatura de início, a célula explode em chamas e, se esse calor, fogo e gases não forem controlados adequadamente, isso pode levar à fuga térmica das células vizinhas.
Soluções de Segurança Operacional e contra Fuga Térmica
Para proteger a bateria do EV, a Parker Lord tomou várias medidas para reduzir a ameaça de fuga térmica. Essas soluções podem ser observadas na montagem ao redor da bateria.
1 e 2 (Revestimentos): Os revestimentos para baterias estão disponíveis como revestimento epóxi dielétrico ou revestimento dielétrico de cura ultravioleta (UV). As áreas de aplicação dos revestimentos incluem a placa de resfriamento, invólucro do pack de baterias, invólucro da célula prismática e invólucro da célula cilíndrica. Uma densidade de energia mais alta requer baterias de alta voltagem. Portanto, uma voltagem mais alta exige uma maior precaução na prevenção de arcos entre os componentes elétricos e uma necessidade de aumentar a segurança das baterias. Uma das principais áreas de foco para alcançar isso é melhorar o isolamento elétrico usando materiais dielétricos, como o revestimento de cura UV Sipiol da Parker Lord e o revestimento epóxi de cura térmica.
3, 4 e 5 (Materiais de Gerenciamento Térmico): Os materiais de gerenciamento térmico mais utilizados são os preenchedores de folga, adesivos termicamente condutivos, bem como encapsulantes e selantes. Esses materiais são usados na ligação célula-placa de resfriamento, módulo-placa de resfriamento, encapsulamento intra-célula e encapsulamento do invólucro. O portfólio de gerenciamento térmico CoolTherm® da Parker Lord é reconhecido por sua confiabilidade e soluções personalizadas para uso em veículos elétricos, sistemas de armazenamento de energia, motores e outros eletrônicos de potência. Essas soluções aumentam o desempenho, a confiabilidade e a segurança, oferecendo produtos sob medida para gerenciar o calor e a densidade de energia aumentada em veículos elétricos.
6 (Selantes e Adesivos): Adesivos estruturais e selantes para gerenciamento térmico incluem o uso de adesivos não retrabalháveis, bem como selantes retrabalháveis. Eles são usados para união e vedação do invólucro, bem como união e vedação do módulo. Os adesivos da proporcionam uma união estrutural e reduzem a quantidade de fixação mecânica necessária. Eles também permitem uma maior flexibilidade de design e a capacidade de unir substratos diferentes. Esses adesivos estruturais podem fornecer uma vedação estrutural ou não estrutural para módulos e pack de bateria, mantendo as células da bateria protegidas dos elementos e melhorando a segurança.
O devido cuidado com essas questões garantem a longevidade do sistema de armazenamento de energia (bateria) do veículo e garante, assim, seu desempenho ótimo na operação.
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