Segurança das Baterias de Lítio-Ion

 

SEGURANÇA DAS BATERIAS DE LÍTIO-ION

 

 

 

A segurança da bateria Li-Ion 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 Li-Ion 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 Li-Ion é bastante segura.

Para garantir um uso seguro das baterias de Li-Ion 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 otimizar o desempenho versus a reatividade dos materiais. Deve-se atuar em três níveis:

 

 - No nível da célula

* Utilização de componentes de boa qualidade nos eletrodos e separadores

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

* A célula deve possuir dispositivo para interromper correntes excessivas

 

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

* Proteção contra corrente de carga excessiva

* Proteção contra corrente de descarga excessiva

* Proteção contra descarga abaixo do valor mínimo de tensão

* Balanceamento das baterias

* Proteção contra temperaturas excessivas

 

 - No nível do equipamento que utiliza as baterias

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

* Medida da temperatura com desligamento da carga em caso de pane.

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

 

Dependendo do tipo de célula, baterias de Li-Ion 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 Li-Ion 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 Li-Ion contêm uma grande quantidade de energia em uma embalagem pequena e são projetadas para fornecer essa energia rapidamente. Usando as devidas precauções e princípios de funcionamento seguros, as células são  seguras e sua aplicação cresce rapidamente no mercado..

As baterias que usam Li-Ion requerem um circuito de proteção obrigatório para garantir a segurança sob quase todas as circunstâncias. De acordo com a IEC 62133, a segurança das células ou baterias de Li-Ion começa incluindo algumas ou todas as seguintes salvaguardas:

 - PTC (termistor) protege contra elevação de temperatura decorrente de surtos de corrente.

 - CID (dispositivo de interrupção de circuito) abre o circuito a uma pressão de célula de 1.000 kPa (145psi).

 - A válvula de segurança libera gases em acúmulo de pressão excessiva a 3.000kPa (450psi).

 - Separador que inibe o fluxo de íons quando excede certo limiar de temperatura.

 

 

Figura 1 - Proteções internas da bateria Li-Ion

 

Além das salvaguardas internas na célula, um circuito de proteção eletrônico externo impede que qualquer célula exceda 4,30V sob carga. No capítulo 7 descrevemos esses circuitos de proteção em detalhe. Além disso, um fusível corta a corrente se a temperatura da superfície de qualquer célula se aproximar de 90°C. Para evitar que a bateria se descarregue abaixo da tensão mínima, um circuito de controle corta o caminho da corrente em cerca de 2,20V/célula.

No caso de packs de baterias onde várias células são conectadas em série, cada célula precisa de monitoramento de tensão independente. Quanto maior a quantidade de células, mais complexo é o circuito de proteção.

Existem no mercado circuitos de proteção para packs de baterias que vão desde uma única célula até 13 células ligadas em série. Para aplicações especiais, como o veículo híbrido ou elétrico que entrega várias centenas de volts, circuitos especiais de proteção são necessários. A monitorização de duas ou mais células em paralelo para obter uma corrente mais elevada é menos crítica do que o controle da tensão numa configuração em série.

Os circuitos de proteção só podem proteger contra problemas externos à bateria tais como carregador com defeito, carregador inadequado ou de baixa qualidade, curto-circuito na carga ou carga excessiva.

Se, no entanto, ocorrer um defeito dentro da célula, o circuito de proteção externo tem pouco efeito e não pode deter a reação. Por isso é importante sempre comprar baterias de boa procedência mesmo pagando um pouco mais caro. Separadores reforçados tornam as baterias mais seguras, porém também as torna mais caras.

É também importante usar carregadores confiáveis que controlam com precisão o encerramento da carga da bateria. Carregadores baratos normalmente possuem circuitos eletrônicos simplificados de baixo custo, mas que muitas vezes fazem com que a bateria seja sobrecarregada.

Neste caso coloca-se toda a responsabilidade da segurança em cima dos circuitos de proteção da bateria e da própria bateria. É preciso considerar que os circuitos de proteção, são dispositivos eletrônicos que também podem falhar. Quando falamos em segurança, é importante lembrar que redundância é fundamental e por isso é necessário o uso de carregadores adequados.

Preços baixos tornam os produtos atraentes, mas os padrões de segurança não são iguais aos dos produtos de marca. Não é um bom negócio economizar dinheiro, comprando baterias de procedência duvidosa.

Deve-se desconfiar de baterias de baixo custo. Nesses casos ou a quantidade de energia da bateria não é aquela indicada em seu rótulo ou então a segurança não é adequada. Em ambos os casos o consumidor acaba sendo lesado.

Outra questão importante relativa à segurança das baterias é o vazamento. Baterias armazenadas por longo tempo, de baixa qualidade ou usadas em condições inadequadas podem vazar substâncias químicas perigosas. Baterias superaquecidas ou abauladas são sinais iniciais de mau funcionamento.

Como qualquer sistema de bateria, a tecnologia Li-Ion associa riscos elétricos e riscos químicos. Dependendo das condições de estresse ambiental, eles podem eventualmente criar mais ou menos perigo.

As substâncias contidas dentro da bateria podem apresentar alguns riscos químicos. Embora a bateria seja um produto onde não há liberação de substâncias perigosas em condições normais de uso, em caso de acidente, a exposição pode ocorrer, em particular a ruptura da caixa devido a danos mecânicos, pressão interna, etc.

O derramamento provoca riscos ligados às propriedades corrosivas e inflamáveis ??do eletrólito. A emissão de gás provoca risco associado às propriedades inflamáveis ??de substâncias orgânicas voláteis. Os riscos químicos associados à exposição direta às substâncias contidas na bateria são expostos na ficha de dados de segurança das substâncias.

Outro tipo de perigo observado com todas as baterias está ligado à energia elétrica armazenada pela bateria. O fluxo de corrente através da bateria gera calor. Isso é conhecido como o efeito Joule. O calor gerado pela corrente elétrica durante os processos de carga/descarga deve ser gerenciado por um sistema de proteção.

Além disso, a bateria deve ser protegida contra altas correntes elétricas e curto-circuito (interno, externo ou criado por danos mecânicos). A maioria dos curtos-circuitos ocorre acidentalmente, geralmente devido à negligência, distração ou problemas na rede elétrica que alimenta o carregador de baterias Li-Ion. Um surto de tensão vindo pela rede elétrica pode colocar em curto-circuito parte do equipamento alimentado pelas baterias e provocar sérios danos.

 Dependendo do design da bateria, o calor criado por essas correntes elevadas, pode exceder a eficiência da refrigeração da bateria ou criar um ponto quente localizado. O estado da carga precisa ser controlado. A sobrecarga e excesso de descarga geram reações indesejadas que são mais exotérmicas do que o normal.

Eles aceleram o aumento de temperatura da bateria. Além disso, a sobrecarga cria mais instabilidade química de alguns materiais. Esta é a razão pela qual a proteção, geralmente baseada em limiares de tensão, é necessária para as baterias de Li-Ion.

Em caso de um curto-circuito, o efeito Joule aumentará a temperatura da célula até o ponto em que o solvente orgânico sai da célula através do respiradouro. Neste momento, qualquer ponto quente pode induzir um incêndio. As possíveis consequências desse efeito cumulativo são os seguintes: fogo, emissão de gases tóxicos ou nocivos CO, eletrólito orgânico e ejeção de peças. Por isso, é altamente recomendável, como em qualquer equipamento elétrico, adotar todas as proteções necessárias contra curto-circuito que muitas vezes são provocados por distúrbios na rede de alimentação elétrica do equipamento.

As grandes baterias usadas em veículos apresentam alta tensão e por isso oferecem um perigo adicional. Neste caso, a perda de isolamento da bateria pode representar um perigo direto para pessoas devido à exposição à alta tensão. Baterias de Li-Ion montadas em veículos podem ter mais de 60V e por isso devem respeitar os padrões de proteções elétricas aplicáveis ??(proteção de terminais, controle de falhas de isolamento para evitar a exposição a voltagem perigosa da bateria, etc...).

Em muitas aplicações de baterias industriais ou em veículos elétricos, o controle do equipamento depende da potência da bateria. Uma perda súbita de controle devido a uma falha na bateria pode criar um perigo para o usuário. Este perigo deve ser analisado em relação a cada aplicação.

É importante compreender as causas profundas dos perigos potenciais, a fim de definir um gerenciamento de risco confiável.

Os componentes utilizados em uma célula de Li-Ion são completamente estáveis ??até 80°C.

A temperatura de baterias de Li-Ion 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.

É muito raro que uma bateria de Li-Ion atinja o ponto de  fuga térmica durante a sua utilização normal.

O maior risco de fuga térmica é quando se usa baterias de Li-Ion 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 Li-Ion dentro das especificações de projeto das células.

Esta também é a razão pela qual é recomendável proteger as baterias de Li-Ion de qualquer fonte de calor.

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).

Muito tem se falado sobre o perigo das baterias Li-Ion. Para efeito comparativo, a energia de combustão ( KJ/Kg ) de uma bateria Li-Ion é 17 vezes menor do que a gasolina. Mesmo sendo muito menos inflamável que a gasolina, ainda assim as baterias de Li-Ion podem provocar riscos e por isso devem ser usadas sempre com placas de proteção contra curto-circuito, sobrecarga, sobretensão e descarga profunda.

Esse tipo de informação é útil para conscientização dos riscos associados à utilização das baterias Li-Ion, se usadas de maneira inadequada.

 

 

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

 

Existe muita informação principalmente na internet incentivando pessoas não habilitadas a montarem packs de baterias de Li-Ion para notebooks, modelos de controle remoto e mesmo bicicletas elétricas. O uso inadequado dessas baterias realmente traz riscos. Por outro lado ao se adotar as medidas necessárias de segurança, essas baterias são bastante seguras e hoje são usadas em bilhões de equipamentos ao redor do mundo todo, sem maiores problemas.

 

As orientações básicas de segurança para o uso de baterias Li-Ion são:

 

 - Ter cuidado ao manusear e testar baterias de Li-Ion.

 

 - Não provocar curto-circuito, sobrecarga, esmagamento, queda, mutilação, penetração com objetos estranhos, aplicação de polaridade inversa, exposição a altas temperaturas ou desmontagem de embalagens e células.

 

 - Utilizar apenas células de Li-Ion com um circuito de proteção adequado e um carregador aprovado.

 

 - Proteger o equipamento onde a bateria é utilizada contra surtos de tensão vindos através da rede elétrica.

 

 - Interromper o uso da bateria e / ou do carregador se a temperatura da bateria subir mais de 10ºC em uma carga regular.

 

 - O eletrólito é altamente inflamável e a ruptura da bateria pode causar lesões físicas.

 

 - Usar um extintor de espuma, CO2 para extinguir um incêndio de uma bateria de Li-Ion. Derramar água apenas para evitar que o fogo se espalhe.

 

 - Se o fogo de uma bateria de Li-Ion em chamas não puder ser extinto, permitir que a bateria se queime por conta própria de forma controlada e segura.

 

 - Importante: Em caso de ruptura, eletrólito vazando ou qualquer outra causa de exposição ao eletrólito, jogar água imediatamente. Se ocorrer exposição dos olhos, lavá-los por 15 minutos e consultar um médico imediatamente.

 

 - Descartar adequadamente as baterias em fim de vida útil.