baterias de Íon-lÍtio - ul · energia sustentÁvel ediÇÃo ii da revista...

• APLICAÇÃODAMETODOLOGIADEANÁLISEDAÁRVOREDEFALHAS• TESTEDEISCINDUZIDOPORINDENTAÇÃO• NORMASAVANÇADASPARA• EFEITOSDOENVELHECIMENTODASBATERIASDEÍON-LÍTIO

NEW SCIENCE ENERGIA SUSTENTÁVEL

EDIÇÃO II DA REVISTA UL.COM/NEWSCIENCE-BRAZIL

BATERIAS DE ÍON-LÍTIO

http://ul.com/newscience

NEW SCIENCE: SUSTAINABLE ENERGY 2

NOVOS DESAFIOSBUSQUE A NEW SCIENCE

O progresso é uma força transformadora que não pode ser contida. As novas tecnologias, os avanços de produtos e a globalização estão chegando todos ao mesmo tempo em um ritmo acelerado. A inovação nos torna mais eficientes, mais produtivos e mais conectados. Porém, existe um custo, e esse custo é o risco. Para ajudar a reduzir os riscos emergentes, a UL está desenvolvendo a New Science. Através de descobertas, metodologias e equipamentos de teste, procedimentos, software e normas fundamentais, a UL está criando novas e importantes maneiras de tornar o mundo mais seguro.


ENERGIA SUSTENTÁVELPANORAMA DAS BATERIAS DE ÍON-LÍTIOA nossa revista sobre baterias de íon-lítio abrange quatro temas importantes que demonstram como a UL está trabalhando para melhorar a segurança destas baterias. A Análise da árvore de falhas (FTA, Fault Tree Analysis) é o fundamento com o qual abordamos a segurança das baterias de íon-lítio identificando e compreendendo as causas raiz das falhas. Descobrimos que uma das principais causas de falha é um curto-circuito interno (ISC, Internal Short Circuit). Por isso, desenvolvemos uma maneira simples e repetível para induzir o ISC. O teste de ISC induzido por indentação nos permite estudar os comportamentos das baterias quando ocorre um ISC. Esta pesquisa e outras relacionadas nos forneceram as ideias que temos utilizado para atualizar as normas existentes e criar novas normas a fim de abordar as mais recentes aplicações das baterias de íon-lítio. Por fim, uma nova área de preocupação potencial é a dos efeitos do envelhecimento, na qual estamos concentrados, dada a tendência às aplicações de maior duração das baterias e às aplicações de reutilização para as baterias de íon-lítio.

APLICAÇÃO DA METODOLOGIA DE ANÁLISE DA ÁRVORE DE FALHAS, PÁG. 4Uma metodologia exclusiva aplicada pela UL para mostrar como os possíveis defeitos podem criar operações inseguras para uma célula de íon-lítio.

TESTE DE ISC INDUZIDO POR INDENTAÇÃO, PÁG. 9Um método de teste inovador que foi desenvolvido para ajudar a compreender a possível gravidade de curtos-circuitos internos (ISCs).

NORMAS AVANÇADAS PARA BATERIAS DE ÍON-LÍTIO, PÁG. 15Atualizações nas normas de segurança que abrangem uma variedade de aplicações e usos das baterias de íon-lítio de formato pequeno e grande.

EFEITOS DO ENVELHECIMENTO DAS BATERIAS DE ÍON-LÍTIO PÁG. 21Uma série de resultados de testes que demonstram o impacto e as implicações do envelhecimento sobre o desempenho da segurança das baterias de íon-lítio de formato pequeno.


APLICAÇÃO DA METODOLOGIA DE ANÁLISE DA ÁRVORE DE FALHAS

TESTEDEISCINDUZIDOPORINDENTAÇÃO

NORMASAVANÇADASPARABATERIASDEÍON-LÍTIO

EFEITOSDOENVELHECIMENTODASBATERIASDEÍON-LÍTIO

5REVISTA ENERGIA SUSTENTÁVEL/APLICAÇÃO DA METODOLOGIA DE ANÁLISE DA ÁRVORE DE FALHAS

POR QUE A ANÁLISE DA ÁRVORE DE FALHAS É IMPORTANTE? Váriosincidentesdeincêndio,explosãoerecolhimentodeprodutosaltamentedivulgadostêmlevantadopreocupaçõessobreasegurançaglobaldasbateriasdeíon-lítio.Háumanecessidadeurgentedeentenderascausasraizdessesincidentesepromoveracooperaçãoabertaentreasorganizaçõesdepesquisagovernamentais,osfabricantesdecélulas,osinteressadosemsegurançaeasorganizaçõesdenormasparadesenvolverasatualizaçõesbaseadasemconsensocomasnormasdesegurança.AaplicaçãoinovadoradaULdametodologiadeAnálisedaÁrvoredeFalhas(FTA,FaultTreeAnalysis)aumentanossacapacidadedeidentificarecatalogarascausasdefalhasdabateriaeenvolverdiversasorganizaçõesnodiálogoparaajudaramelhorarasegurançadasbaterias.

CONTEXTO Asbateriasdeíon-lítiosãopopularesporquetêmváriasvantagensemrelaçãoatecnologiasconcorrentes:elasgeralmentetêmumadensidadedeenergia—aquantidadedeenergiaquepodemarmazenarporquilogramadebateria—muitomaior.1Essasbateriasmantêmsuacarga,perdendocercade5%delapormês,emcomparaçãocomumaperdade20%pormêsdasbateriasNiMH,2enãotêmoefeitodememóriadeoutrasbaterias.Issosignificaqueasbateriasdeíon-lítionãoprecisamsertotalmentedescarregadasantesdarecarga.3Essasbateriastambémpodemdurarporcentenasdeciclosdecarga/descarga.4

Asbateriasdeíon-lítio,noentanto,nãosãoperfeitas.Houveváriosincidentesdefalhaquelevaramaumintensoescrutíniogovernamentaldessasbaterias.5EssesdesenvolvimentosrealçamanecessidadeurgentedesecompreenderascausaseosriscosdesegurançaassociadoscomISCsemcélulasdeíon-lítioedeatualizarasnormasdesegurança.

There is an urgent need tounderstand the root causes oflithium-ion battery failures.

O QUE FEZ A UL? Dadaaimportânciadasbateriasdeíon-lítioparatantasaplicações—deprodutoseletrônicosdeconsumoaotransporteeaoarmazenamentoestacionáriodeenergiaparaasempresasdefornecimentodeenergia—,aULvemrealizandoumaamplagamadepesquisassobrediferentestiposdesubstânciasquímicaseformatosdasbateriasdeíon-lítio.Especificamente,estamossupervisionandoumavariedadedeanálisesnãodestrutivasdebateriasdeíon-lítioafimdeentenderoselementosestruturaiseaimpedânciarealizandotestesdeabusoparaexaminarodesempenhodasbateriasnas“piorescondições”everificandoomaterialdeanáliseparaentendermelhorcomoosdiferentescomponentesemateriaisdasbateriasdeíon-lítioreagemsobváriascondições.6

AULtambémestáenvolvidaativamentenaanálisedepesquisasdisponíveisaopúblicosobrebateriasdeíon-lítio,oquemostraumaforteênfasenacompreensãoenamitigaçãodosmodosdefalhadascélulasenvolvendocurtos-circuitosinternos(ISCs).7Emboraapenasbrevesrelatosdefalhasdecampoestejamdisponíveis,certaquantidadedessesperceberamapresençadedefeitosdefabricaçãoquelevaramaISCsdentrodacélula.8AULaplicouametodologiadeAnálisedaÁrvoredeFalhascomosresultadosdesuapesquisadesegurançadasbateriasecomasinformaçõesdecampoparatraduzi-lasaumformatoacessível,lógicoequeidentifiqueascausasraizeasimediatasdefalhasdasbateriasdeíon-lítio.

AAnálisedaÁrvoredeFalhaséumatécnicaanalíticalógicaesimbólicanaqualumeventoindesejadoédefinido–nocaso,umincidentedefalhadeumabateriadeíon-lítio.Oeventoéresolvidopormeiodapesquisadesuascausasimediatas.Aresoluçãodeeventoscontinuaatéqueascausassejamidentificadasemníveladequado.Umdiagramalógicochamadodeárvoredefalhaséumaconstruçãoquemostraasrelaçõeslógicasdoseventos.9

AAnálisedaÁrvoredeFalhaséumaabordagemdisciplinadaqueforneceumaestruturaparaorigorosoexamedeumeventodefalha(porexemplo,umincidentedefalhadabateria).Aoempregaressametodologia,aULmostraexplicitamentetodasasdiferentesrelaçõesquesãonecessáriaspararesultaremumafalhadabateriaeobtémumacompreensãoprofundadalógicaedascausasraizdoincidente.10

AAnálisedaÁrvoredeFalhasfoidesenvolvidaparaentenderaspossíveiscausasdefalhasdecélulasdeíon-lítiocomfocoemincidentesenvolvendoincêndioeexplosão.Aanáliseaquiapresentadaéapenasparafinsdedemonstração.Devidoaisso,elacaptaosprincipaispontos,enãoédesenvolvidacomdetalhamentointenso.Realizamosanálisesmuitomaisdetalhadasdependendodoprodutoespecíficoedascondiçõesdefalha.

REVISTA ENERGIA SUSTENTÁVEL/APLICAÇÃO DA METODOLOGIA DE ANÁLISE DA ÁRVORE DE FALHAS 6


Análise da Árvore de Falhas de uma célula de íon-lítio que se tornou insegura11

Estaárvoredefalhasespecíficaretrataasseguintesrelaçõeselógicadeeventoscausais:

1. Oeventoprincipaléaoperaçãoinseguradacéluladeíon-lítio.

•Algunsexemplospossíveissãoumvazamentodeeletrólitos,oquepodeliberargasestóxicos,ouadeflagraçãodevoláteisexalados,oquepoderiaprovocarumincêndio/explosãoouumaincapacidadedeoperarodispositivodesegurançacríticoqueéalimentadoporumabateriadeíon-lítio.

2. Olhandoespecificamenteparaoriscodedeflagraçãodevoláteisexalados,sãolistadostrêseventosbásicosquedevemaconteceremconjuntoparaqueumadetonaçãoocorra:

•Fontedeignição:contatodosprodutosvoláteiscomumasuperfíciequente(oupossivelmenteassubstânciasvoláteisjáestejamaumatemperaturaalta)

•Fontedocombustível:voláteisexaladospelacélula

• Arambiente:oxigênionecessárioparafacilitaracombustão(dentrodoslimitesdeinflamabilidade)

3. Emseguida,apósosvoláteisexaladosapartirdoeventodacélulateremsidoexaminados,quatroeventoscausaissãoidentificados,todoselesdevendoocorrerparaqueassubstânciasvoláteissejamexaladasapartirdacélula:

Mais energética

Anode to Al Film

Célula de íon-lítio

Operação insegura

Vazamento de eletrólitos

Gases tóxicos

Contato com superfícies quentes

Fonte de ignição interna

Estado de carga suficiente

ECS

Violação do separador de partículas (dano por objeto

desconhecido)

Defeito de fabricação

Separador danificado devido a forças externas

Força externa

Quatro tipos diferentes de ISC

Incapacidade de operar o dispositivo de forma segura

Energia insuficiente ou ausente

Ar do ambiente (ou oxigênio liberado)

Ar

Curto-circuito interno

Reação autossustentável

Refrigeração inadequada

Fonte de calor localizada

Deflagração de substâncias voláteis exaladas

Incêndio/Explosão

Substâncias voláteis exaladas da célula

Combustível

Reações exotérmicas

Reação autossustentável

1

2

3

4

•Umestadosuficientedecargadacélula(energiaarmazenada)

•Reaçõesexotérmicas

•UmISCqueproporcioneumaviaparaofluxodecargaqueconduzaaumafontedecalorlocalizada

•Refrigeraçãoinadequadaparafornecerdissipaçãosuficientedecalor

QuandoháumISCcomestadosuficientedecarga,ofluxodecarga resultanageraçãodecalorlocalizado.Issoaqueceráacélulanolocal epossivelmenteativaráreaçõesexotérmicasentreosmateriais ativosnointeriordacélula.Sehouverdissipaçãodecalorinsuficiente, entãoocalorgeradopelasreaçõesexotérmicasdentrodacélula realimentaráosmateriaisremanescentesquenãotenhamreagido, dandosequênciaàacumulaçãodecalor.

4.ExistemquatrotiposdiferentesdeISC.Essaárvoredefalhasseconcentranotipomaisenergético,doânodoparaofilmedealumínio(Al)—aULtambémaplicaaAnálisedaÁrvoredeFalhasaosoutrostiposdeISC—,eidentificaduaspossíveiscausasdessetipodeISC:

•Umaviolaçãodoseparador,pordanocausadoporumapartículaouumobjetoestranho,causadaporumdefeitodefabricação.

•Umseparadordanificadodevidoaforçasexternas.


NossaAnálisedaÁrvoredeFalhascombinaosresultadosdeváriosestudosdepesquisaacessíveisaopúblicoerepresentagraficamenteascausaseasrelaçõesentreoseventosquelevamlogicamentedeumdefeitodefabricaçãooudanoscausadosporumaforçaexternaaofuncionamentoderiscodeumacéluladeíon-lítio.

IMPACTO AULestáconstantementeprocurandomelhorarasegurançadasbateriasdeíon-lítio.Issorequerumaabordagemsistemática,umacompreensãoaprofundadadosincidentesdecampodasbateriasdeíon-lítioeumesforçoconcentradonapesquisaenodesenvolvimentodenormasparalidarcomascausasdessesincidentes.AaplicaçãoinovadoradaAnálisedaÁrvoredeFalhasnasfalhasdasbateriasdeíon-lítiorepresentaanovaciênciaquesurgeparaadicionarumadimensãoextraderigoràabordagemdaUL.Issoforneceumregistrotransparenteedetalhadodaanálisesobreascausasdefalhasdebateria,oquetornaaAnálisedaÁrvoredeFalhasumaferramentaeficazparaacomunicaçãoeaconstruçãodeumconsenso,tantonaprópriaULquantocomnossosváriosparceirosdepesquisaeinteressadosemsegurança.AAnálisedaÁrvoredeFalhastambémnosajudaaidentificarquaisnovaspesquisassãoindicadasparaaexploraçãoeavalidaçãodenovascausaspotenciaisdefalhasdebateria,comosugeridoporoutrosresultadosdepesquisaouincidentesdecampo.AAnálisedaÁrvoredeFalhaséfundamentalparaaformacomoaULajudaagarantirasegurançadasbateriasdeíon-lítio.


APLICAÇÃODAMETODOLOGIADEANÁLISEDAÁRVOREDEFALHAS

TESTE DE ISC INDUZIDO POR INDENTAÇÃO



REVISTA ENERGIA SUSTENTÁVEL/TESTE DE ISC INDUZIDO POR INDENTAÇÃO

POR QUE O TESTE DE ISC INDUZIDO POR INDENTAÇÃO É IMPORTANTE? Impulsionadasemgrandeparteporsuasvidasdeciclolongo,taxasdeautodescargabaixasealtasdensidadesdeenergia/potência12,asbateriasdeíon-lítioestãosetornandoumaimportantetecnologiadeenergiasustentável.Aoconsiderarincidentesrelatadosenvolvendobateriasdeíon-lítio,muitoscitamcurtos-circuitosinternos(ISCs)comoumapossívelcausaintermediáriaparaosuperaquecimentodacélula.ApesardeexistiremoutrosmétodosdetesteparaasimulaçãodeISCsemcélulasdeíon-lítio,otestedeISCinduzidoporindentaçãofoidesenvolvidocombaseemprincípiosdemelhorespráticasafimdefornecerummétodopráticoesimplesqueésuficientementeadequadoàsnormasdesegurançadabateria.EssetestedáàULacapacidadedesimularocomportamentodeumacéluladeíon-lítioquandosubmetidaaumacondiçãodeISC,oqueajudaamitigarosriscosdeISCeapoiaracomercializaçãoseguradebateriasdeíon-lítio.

A UL desenvolveu o teste de ISC induzido por indentação para fornecer um método prático e simples para simular ISCs em células de íon-lítio.

CONTEXTO Ascaracterísticasdedesempenhodasbateriasdeíon-lítio,juntamentecomareduçãoprevistade1/3deseuscustosaté201713,irãotornaressasbateriascadavezmaispopularesemumaamplagamadeaplicações.Porexemplo,asbateriasdeíon-lítioagoracompõemmaisde95%dasbateriasdetelefonescelularesemtodoomundo.14Tambémsãousadasemumavariedadededispositivoselétricoseeletrônicosdeconsumo(porexemplo,computadoresportáteis,tabletsecâmerasdigitais),dispositivosmédicos(porexemplo,monitores,instrumentoscirúrgicosportáteiseequipamentosdediagnósticoportátil),equipamentosindustriais(porexemplo,ferramentaselétricassemfios,sistemasdesegurançasemfioeequipamentoseletrônicosportáteisusadosaoarlivre),aplicaçõesautomotivas(porexemplo,veículoselétricos),aplicaçõesaeroespaciais(porexemplo,aeronavesenavesespaciais)edeenergia(porexemplo,armazenamentodeeletricidadeconectadaàrede).15

10

Emboraasbateriasdeíon-lítiosejamprojetadascomsalvaguardaspassivasintegradasesalvaguardasativasemprojetosdeembalagem,elasvêmsendorelacionadasaincidentesenvolvendosuperaquecimentoeincêndioque,emboramuitoraros,têmcolocadoessasbateriasnocentrodasatençõesdopúblico.16Emmuitoscasos,asfalhasdabateriaestavamligadasaISCsquelevaramàfugatérmica,resultandonaliberaçãodeenergiaemformadeexplosãojuntamentecomoincêndio.Essesincidentesconstituíramumestímuloparaapesquisaquebuscoucompreenderascausasdasfalhasdebateriasdeíon-lítioeorientarprojetosdecélulasdebateriamaisseguros.Onúmerodebateriasdeíon-lítioemuso,acomplexidadedascélulasdessasbateriaseasinúmerascondiçõesdeusofazemdoprojetodecélulasseguroedodesenvolvimentodetestesparaasnormasdesegurançadebateriasumatarefaextremamentedesafiadora.17EssesdesafiosressaltamanecessidadedeummétododesimulaçãodeISCsconfiávelqueajudeamelhorarasegurançadoproduto,garantindoqueasnormasdesegurançadebateriasbaseadasemconsensoefetivamenteacomodemoestado,emcontínuamudança,deprojetoseaplicaçõesdecélulasdeíon-lítio. O QUE FEZ A UL? AULinvestiurecursosdepesquisaecolaboroucomoutrasorganizaçõescomoobjetivodedesenvolverumametodologiadetesteconfiávelerepetívelqueatendesseadoiscritériosfundamentais.Primeiro,otestenecessitavasercapazdegerarumISClocalizadodentrodeumacélulafechada,oquesimulariacondiçõessemelhantesàquelasencontradasnasfalhasdecampodasbateriasdeíon-lítio.Emsegundolugar,onovotestenecessitavaseraceitávelparaasnormasdesegurançadebaterias.

NossapesquisaresultounodesenvolvimentodeumtesteinovadordeinduçãodeISCporindentação.Depoisdedemonstraropotencialdessemétododeteste,fizemosumaparceriacomaNASAecomoslaboratóriosOakRidgeNationalLaboratories(ORNL)paradesenvolveraindamaisaabordagemdoteste.ANASAjátinhaseuprópriométododetestedeISC,mas,vendoosavançosfeitosnométododetestedaUL,aprovoueaperfeiçoouaabordagemdeISCinduzidoporindentação.EssemétodoéagorapartedoprocessodequalificaçãodebateriasdaNASAparaaplicaçõesespaciais.Emseguida,aULcolaboroucomoslaboratóriosORNLparaestenderaconfiguraçãodotestedemodoacobrirumavariedadedefatoresdeforma.

OtestedeISCinduzidoporindentaçãoéapropriadoparacélulascilíndricaseoutrosfatoresdeforma,comocélulasembolsaeprismáticas,comalgumasvariaçõesdeconfiguração.Naconfiguraçãodoteste,acélulaécolocadaemumsuportequeimpedesuarotaçãooutranslação.Umindentadordeperfilsuaveprensaoinvólucrodacélulaporcimaaumavelocidadeconstante(de0,01a0,1mm/s).Asmediçõesdo

REVISTA ENERGIA SUSTENTÁVEL/TESTE DE ISC INDUZIDO POR INDENTAÇÃO 11

testeincluematemperaturadasuperfíciedoinvólucroemumpontopróximoaolocaldeindentação,adistânciapercorridapeloindentador(quantidadededeflexãodoinvólucrodacélula),aforçaaplicadapeloindentadoreatensãoemcircuitoaberto.Ascélulaspodemestaremdiferentesestadosdecarga(EDC)ouestágiosdeenvelhecimento.Todaaconfiguraçãoécolocadaemumacâmaraquepermiteocontroledatemperaturaambiente.18

Àmedidaqueoindentadorépressionadocontraoinvólucro,ascamadasdeseparação,doânodoedocátodoimediatamenteabaixodaregiãodeindentaçãosãodeformadasdevidoàcurvaturalocalizadaelevada(Figura1).Aaltatensão/deformaçãoresultantelevaaumafalhamecânicadoseparador(comafalhadoinvólucro),permitindoocontatodiretoentreoseletrodosaumadistânciadeapenasalgumascamadasabaixodasuperfíciedoinvólucro(Figura2).

Figura 1 Imagens de tomografia computadorizada de células de íon-lítio cilíndricas antes do teste (à esquerda) e uma imagem única da tomografia computadorizada da célula após a indentação (à direita)

Figura 2 Imagem de tomografia computadorizada da célula mostrando a quebra das camadas diretamente abaixo da região de indentação


Oefeitodafalhadoseparadoréumaviaalternativarepentinaparaofluxodecargaeumasubsequentequedanatensãodecircuitoaberto(TCA)(Figura3).Paraalgumascélulas,segundosapósumamediçãodaquedadetensãodecircuitoaberto(100mV),háumrápidoaumentodatemperaturadasuperfíciedacélula(deaté700°C),comumresultadoqueenvolvealiberaçãoexplosivadegáseageraçãodechamas(Figura4).19

Oriscoétipicamentemedidoemtermosdagravidadedainsuficiênciamultiplicadapelaprobabilidadedefalha.Aoforçarumafalha,otestedeISCinduzidoporindentaçãoestá,basicamente,medindoagravidadedainsuficiênciadacélula.Comomencionadoacima,aNASAusaessatécnicaemsuaverificaçãodebateriasrecarregáveiscomerciaisprontasparauso(COTS,CommercialOff-The-Shelf)paraaplicaçõesespaciais.Ascélulasquenãotêmumbomdesempenhosobessetipodetestesão,então,submetidasaumcronogramasecundáriodetestesmaisrigorosoparaajudaraestabeleceraprobabilidadedefalhadascélulascomoISC.20

4.5

3

4

2.5

1.5

.5

3.5

2

1

0 0

100

200

300

400

Tem

pera

tura

(°C

)

Tempo (s)

TCA

(vol

ts)/

Des

loca

men

to (m

m)

500

600

700

0 20 40 60 80 100

Deslocamento

TCA

Temperatura

Figure 3 Measurements taken during the indentation test for a cell that is undergoing thermal runaway

Figure 4 Picture of cells experiencing thermal runaway (left) and one example of explosive failure of lithium-ion cell during indentation test (right)


Hoje,aULestádesenvolvendotestesenormasparaaplicaçõesqueenvolvamasegurançadacélulaatravésdeumsistemadesegurançadebaterias.Ofocoestánorefinamentodasnormasdebateriasdeíon-lítiodeformatogrande(UL2580paraveículoselétricos,UL2271paraveículoselétricosleveseUL1973paraaplicaçõesemveículoslevessobretrilhoseestacionárias–paraobtermaisinformações,consulteoterceiroartigonestarevista,“Normasavançadasparabateriasdeíon-lítio”),narevisãodosrequisitosdecélulasparaabordaraplicaçõesespecíficas,naverificaçãodasregiõesdeoperaçãodascélulas,nagarantiadequeossistemasdebateriamantenhamregiõesdeoperaçãodecélulasegurasenaexploraçãodaanálisedosefeitosdomododefalhadosistema(FMEA)edasegurança.21

IMPACTO ApesquisadaUL,juntamentecomcolaboraçõescomlaboratóriosdepesquisadesegurançadebateriasconhecidos,resultounodesenvolvimentodotestedeISCinduzidoporindentação.Essaabordagemdetesteéumacandidatapromissoraparaser,provavelmente,otestedetriagemdasnormasdesegurançadebaterias.Atéomomento,aanálisedosresultadosobtidoscomascélulassubmetidasaotestedeISCinduzidoporindentaçãomostraumacorrelaçãoentreodesempenhodoteste(gravidadeobservadadafalha)eumavariedadedeparâmetrosdacélula,incluindodensidadedeenergia,estabilidadetérmicadosmateriaisativosequímicadacélula.22

Comrecolhimentoseoutrasquestõesdesegurançarelacionadasabateriasdeíon-lítiosendoaindapartesdasmanchetes,háumanecessidadeprementeparaotipodediálogoabertoecooperativoentreaULeoutraspartesinteressadasqueestãoenvolvidasemcompartilharinformaçõessobreosmodosdefalhadecélulasdeíon-lítioeparaajudaradesenvolvererefinarostestesdeISCanormasdesegurançabaseadasemconsenso.23Estamoscomprometidoscomaevoluçãodasnormasafimdeajudaraimpulsionarousosegurodebateriasdeíon-lítio,bemcomoodesuasaplicaçõesparaexpandirmaisemaisosprodutoseosetor.Sendoaprincipalorganizaçãoparatestesdesegurançadebateriasdeíon-lítio,aULestáfocadaemtodaagamadeprodutosquímicoseprojetosdebateria,incluindoosdiferentesmateriais,acaracterizaçãoemníveldecomponenteaoníveldacélulaeossistemasdebateriasaltamenteintegrados.Continuaremosadedicarrecursossignificativosparaapesquisadesegurançadebaterias,amelhorarativamenteasnormasexistenteseadesenvolvernovas.





NORMAS AVANÇADAS PARA BATERIAS DE ÍON-LÍTIO


REVISTA ENERGIA SUSTENTÁVEL/NORMAS AVANÇADAS PARA BATERIAS DE ÍON-LÍTIO

POR QUE AS NORMAS AVANÇADAS PARA BATERIAS DE ÍON-LÍTIO SÃO IMPORTANTES? Ousodebateriasdeíon-lítioestáaumentando,comomercadodevendodobrarnomundointeiroaté2016.24Comnovosusoseriscosdesegurançapotenciais,éimportanteatualizarasnormasexistentesecriarnovasàmedidaquenossainformaçãoenossoconhecimentoaumentam.Dessaforma,podemosmaximizarasegurançadasbateriasdeíon-lítio,bemcomosalvaguardaraadoçãodenovasaplicaçõeseusosdessasbaterias. CONTEXT Nosúltimosanos,houverelatosdefalhasdecampoenvolvendobateriasdeíon-lítio.Essesvãodesdefalhas,em2006,delaptopsalimentadosporbateriasdeíon-lítioaincêndiosdeaviõesdecargaenvolvendootransporteemmassadecélulasdeíon-lítio.25Desdemarçode2012,aComissãodeSegurançadeProdutosparaoConsumodocumentou467incidentesrelatadosqueidentificaramascélulasdeíon-lítiocomootipodebateriaenvolvido;353dessesincidentesenvolveramincêndio/riscosdeincêndio.26Alémdisso,em2013,houvedoisincidentesrelatadosrelacionadosabateriasdeíon-lítioempregadasnaaeronaveBoeing787,emquechamasforamvistasvindasdabateriadeumaunidadeauxiliardepotência(UAP)e/ouodoresestranhosforamdetectadosnacabinedepassageirosounadospilotos.27

Perigosrelacionadosabateriasdeíon-lítioincluemincêndio,explosão,choqueelétricoeexposiçãoperigosaamateriais(gasestóxicosexalados,vazamentodeeletrólitos).Comomercadodeveículoselétricoscrescendodeformaintensa,acapacidademundialdebateriasdeíon-lítioparaessemododetransportemultiplicaráemdezvezesaté2020.28AUL,juntamentecomváriasoutraspartesinteressadasdosetor,incluindofabricanteseassociações,vempriorizandoaatualizaçãodasnormasexistenteseoavançonacriaçãodenovasnormas.

Perigos relacionados a baterias de íon-lítio incluem incêndio, explosão, choque elétrico e exposição a materiais perigosos.

16

O QUE FEZ A UL?As normas de hoje AUL1642cobreascélulasdeíon-lítiosecundárias(recarregáveis)easbateriaseascélulasprimárias(nãorecarregáveis).Ascélulasdelítioprimáriastêmlítiometálicoouânodosdeligadelítio.Ascélulasdeíon-lítionãocontêmlítiometálicoe,normalmente,têmgrafitelitiadonoeletrodonegativoefosfatoouumóxidodemetaldelítionoeletrodopositivo.Asbateriaspodemconsistirdeapenasumacélulaoudeduasoumaiscélulasligadasemsérieouemparalelo–comousemproteçãoecircuitosdecontrole.AUL1642incluiosseguintestestes:curto-circuito,cargaanormal,descargaforçada,vibração,choque,esmagamento,impactodacélula,ciclagemdetemperatura,aquecimento,simulaçãodealtitudeeexposiçãoafogo/projétil.


Normas de segurança da bateria29

TESTE

CERTIFICAÇÃO AUTODECLARAÇÃOUL 1642

UL 2054

UL SUBJECT 2271

UL 2580

UL 1973

IEC 62133

IEC 62281*

NEMAc18.2M, Pt2

SAEJ2929

NU, parte III, S 38.3

IEEE 1625*

IEEE 1725*

JIS C8714*

SBA S1101*

Curto-circuito externo x x x x x x x x x x x x x x

Carga anormal e sobrecarga x x x x x x x x x x x x x x

Descarga e sobrecarga forçadas

x x x x x x x x x x x

Esmagamento x x x x x x x x x x

Impacto x x x x x

Choque x x x x x x x x x

Vibração x x x x x x x x x

Aquecimento x x x x x x

Ciclagem de temperatura x x x x x x x x x

Baixa pressão x x x x x

Projétil e fogo externo x x x x x

Queda x x x x x x x x x x x

Taxa baixa contínua de carregamento

x

Teste de aquecimento do invólucro moldado

x x x x x x

Resistência de isolamento x x x x x

Teste de curto-circuito interno ou de fogo interno

x x x x x

*Observação: essas são normas relativas à certificação.

17

Em andamento

18REVISTA ENERGIA SUSTENTÁVEL/NORMAS AVANÇADAS PARA BATERIAS DE ÍON-LÍTIO

AUL2054abrangeascélulassecundárias(recarregáveis)easprimárias(nãorecarregáveis),cujaquímicaincluiníquel(Ni-Cad,Ni-MH),alcalinos,carbonoezinco,alémdeácidoechumbo,paraaplicaçõesportáteis.Abrangetambémconjuntosdebateriasparaaplicaçõesportáteiseparatodosostiposdecélulas,incluindoasdeíon-lítioeasdelítioprimárias.AUL2054incluicurto-circuito,cargaanormal,sobrecargaabusiva,descargaforçada,fontedealimentaçãolimitada,temperaturadocomponentedoinvólucrodabateria,temperaturadasuperfíciedabateria,forçaconstantede250N,alíviodoestressepelomofoeimpactoporqueda.AUL2054tambémexigequeascélulasdeíon-lítiocumpramcomaUL1642.30

O que está mudando Emnívelcelular,aULestátrabalhandonodesenvolvimentodeumnovométododetestedecurto-circuitointerno(ISC)paraascélulasdeíon-lítioparaainclusãonanormadesegurançaUL1642abateriasdelítio.Oteste,referidocomoum“testeinduzidodecurto-circuitointernoporindentação”(IIISC):

• ProvocaumaISCcriandoumpequenodefeitolocalizadonoseparadorda célula(limitadoapenasàcamadasuperficialdoeletrodo)

• Induzafalhadacélulaparacélulascilíndricas,prismáticasedeformato debolsa

• Ésensívelaalteraçõesdemodeloqueafetamodesempenhodasegurança dacélula

• Éummétodoadequadoparaostestesdasnormas31

Hátambémmelhoriasparacritériosdeprodutoserequisitosdequalidadeemandamento.32Emnívelcelular,aUL1642agoraincluiosrequisitosdeparâmetrosderegiãoseguradeoperaçãodecélulasparaascélulasdeíon-lítio,eaUL2054agoraincluirequisitosafimdequeabateriamantenhaascélulasdentrodosparâmetrosderegiãoseguradeoperaçãodacélula.Hátambémumamaioratençãoaosdesafiosdeprojetosparaaplicaçõesespecíficas,àscondiçõesdeabusoeàsmelhoriasaoprocessodecertificação.33

Normas com o foco nos formatos grandes AlémdasatualizaçõesparaaUL1642eaUL2054,aULestátrabalhandoemnormasfocadasnosformatosgrandes,incluindoaUL2271easrevisõesdaUL2580edaUL1973,dadasascrescentesnecessidadesdomercadoglobal.QuandoaUL2271forpublicada,astrêsserãoasnormasdoAmericanNationalStandardsInstitute(ANSI).

AUL2580abrangeasegurança(choqueelétrico,riscosmecânicoseliberaçãodeprodutostóxicosecombustíveis)deunidadesdearmazenamentodeenergiaelétrica

Em nível celular, a UL está trabalhando no desenvolvimento de um novo método de teste de curto-circuito interno (ISC) para a inclusão na UL 1642.

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(EESAs,ElectricalEnergyStorageAssemblies)paraveículosdeestradaeforadeestradaindustriais.Anormanãoéespecíficadedeterminadosprodutosquímicoseincluibaterias,capacitoreseletroquímicos,ecombinaçõeshíbridasdebateriasecapacitoreseletroquímicos.Anormatambémincluirequisitosdesegurançaparaascélulaseoscapacitoreseletroquímicosutilizadosnasunidadesdearmazenamentodeenergiaelétrica.

Umaanálisedesegurançadasunidadesdearmazenamentodeenergiaelétrica,comoadomododefalhaeanálisedeefeitos(FMEA,FailureModeandEffectsAnalysis),énecessária,bemcomorequisitosetestesespecíficosdeconstrução,incluindotestesmecânicos,ambientais,elétricosedeprodução.34

OprogramadetestedaUL2580incluitestesdecurto-circuito,sobrecarga,sobredescarga,resistênciaàumidadeeaoisolamento,falhadecontroletérmico,ciclagemdetemperatura,queda,resistênciaàvibração,choquemecânico,rotação,esmagamento,imersão,exposiçãoaofogo,àtemperaturaeàcargadesequilibrada.35

AUL2271abrangebaterias,capacitoreseletroquímicoseunidadesdearmazenamentodeenergiaelétricahíbridosparausoemveículoselétricosleves(LEVs,LightElectricVehicles).Caminhõesindustriaisparatarefaspesadasestãoforadoescopodessanorma(seusconjuntosdearmazenamentodeenergiaelétricasãocobertospelaUL2580,acima).OscritériosdeconstruçãosãosemelhantesaosdaUL2580,comalgumasexceções,taiscomo:

• Índicetérmicorelativo(RTI,RelativeThermalIndex)mínimodoinvólucro de80°C

• AcessibilidadeIP3X(comoferramenta,jáqueépossívelamaiorexposiçãoa essasunidadesdearmazenamentodeenergiaelétricaemcomparaçãocom ostiposdaUL2580)

• Abateriadevetermaiorcapacidadederemoçãoporpartedousuárioparao carregamentoouasubstituiçãoedeveteralças

• OscritériosparaascélulassãoosmesmospropostosparaaUL2580

OprogramadetesteparaaUL2271temalgumasdiferençascomrelaçãoàUL2580devidoàsaplicações,eelasincluemoseguinte:36testesdecurto-circuito,sobrecarga,sobredescarga,resistênciaàumidadeeaoisolamento,falhadocontroletérmico,ciclagemdetemperatura,vibração,queda,choquemecânico,rotação,esmagamento,imersão,temperaturaedecargadesequilibrada.37

UL1973coverselectricenergystoragesystems(EESSs)forstationaryapplicationssuchasphotovoltaic(PV),windturbinestorageoruninterruptablepowersupply(UPS)applications.UL1973alsocoversEESSsforuseinlightelectricrail(LER)applicationsandstationaryrailapplications.AswithUL2580andUL2271,UL1973includesconstructioncriteriaandtests.38


Para todas essas normas, a UL está incluindo os requisitos de segurança de células a fim de tratar de uma variedade de necessidades emergentes.

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20

AUL1973incluitestesdecurto-circuito,sobrecarga,sobredescarga,cargadesequilibrada,resistênciaàtensãodielétrica,continuidade,temperatura,falhadosistemadeestabilidadetérmica,ciclagemdetemperatura,resistênciaàvibração,choque,queda,doinvólucro,exposiçãoàáguaeaofogoexternoeinterno.39

Portodasasnormasacima,aULestáincluindoosrequisitosdesegurançadecélulasparatratardeaplicaçõesespecíficas,verificarasregiõesdeoperaçãodacélula,ajudaragarantirqueossistemasmantenhamaregiãodeoperaçãodacélula,exigirummododefalhaeanálisedeefeitosdesistemae,senecessário,avaliarasegurançafuncional.40

IMPACTO AULcontinuaaavançarnasegurançaatravésdodesenvolvimentodeatualizaçõesparaasnormasexistentesedacriaçãodenovasnormasquandoainformação,apesquisaeoconsensosãoconcluídos.EssasnormaseopapeldeliderançadaULcompreendemaNewScience,queestánalinhadefrentedopapelimportantequeasbateriasdeíon-lítiorepresentamhojeenofuturo,aomesmotempoqueajudaagarantirsuautilização,adoçãoeexpansãosegurasecontínuas.


Atualizações para as normas de segurança das baterias de íon-lítio

NORMA/ ESCOPO

O QUE ESTÁ MUDANDO

AMBIENTE REGULATÓRIO

UL 1642Células de lítio primárias e secundárias

Novo método de teste de curto-circuito interno (ISC) em desenvolvimento

Melhorias contínuas aos critérios de produtos e requisitos de certificação

Requisitos de parâmetros de região de operação segura para células de bateria de íon-lítio

Voluntário

UL 2054Baterias comerciais e domésticas, incluindo baterias de lítio e aplicações portáteis

Requisitos dos invólucros das baterias para que mantenham as células dentro dos parâmetros de região de operação segura das células

Voluntário

UL 2580Unidades de armazenamento de energia elétrica para veículos de estrada e fora de estrada industriais

Revisão dos requisitos de células para lidar com aplicações específicas

Verificação da região de operação da célula

Garantia de que o sistema mantém a região de operação da célula

Modo de falha do sistema e análise de efeitos/segurança funcional

Melhorias contínuas dos protocolos de teste

Voluntário (NFPA 505)

UL 2271Unidades de armazenamento de energia elétrica para aplicações de veículos elétricos leves (LEV)






Voluntário

UL 1973Unidades de armazenamento de energia elétrica para aplicações estacionárias e de veículos elétricos leves sobre trilho






Voluntário, NEC e de outros códigos de instalação





EFEITOS DO ENVELHECIMENTO DAS BATERIAS DE ÍON-LÍTIO

REVISTA ENERGIA SUSTENTÁVEL/EFEITOS DO ENVELHECIMENTO DAS BATERIAS DE ÍON-LÍTIO

PORQUE O ESTUDO DE SEGURANÇA DOS EFEITOS DO ENVELHECIMENTO DAS BATERIAS DE ÍON-LÍTIO É IMPORTANTE? Hojeemdia,asbateriasdeíon-lítioestãocadavezmaissendousadasporlongosperíodos.Muitascélulasdeíon-lítiosãorecicladasereutilizadas,enquantooutrassãousadasemaplicações–taiscomoveículoselétricosearmazenamentodeenergiaestacionária–comumaduraçãodebateriaesperadavariandoentrecincoevinteanos.Essesusosdelongoprazosãoimportantes,poisfalhasdecampodebateriasdeíon-lítio,emborararas,sãomuitodivulgadasesugeremquealgunsmecanismosdefalhapodemdependerdaformacomooestadodoíon-lítionascélulassealteraaolongodotempo.Igualmenteimportanteéofatodequeasnormasdesegurançaatuaisnãoabordamoimpactopotencialdoenvelhecimentodasbaterias.

CONTEXTO Algunsdosusosmaiscomunseconhecidosdasbateriasdeíon-lítiosãonosprodutoseletrônicosparaoconsumo,ondeavidaútilesperadadabateria–sejaparauminvólucrodeumaúnicacélulaemumcelularouparauminvólucrodeseisadozecélulasemumcomputadorportátil–édeumatrêsanos.41Emcontraste,asbateriasutilizadasnosveículoselétricos(VE,ElectricVehicles)enosveículoselétricoshíbridos(VHE,HybridElectricVehicles)devemterumavidaútildecincoaquinzeanos,enquantoespera-sequeaquelasusadasemaplicaçõesdearmazenamentodeenergiaestacionáriastenhamumavidaútildedezavinteanos.42Alémdisso,apesardeareciclagemdebateriasdeíon-lítioaindaestaremseusestágiosiniciais,omercadodeverácrescerematédoisbilhõesdedólaresaté2022.43Issosetraduzemcercade10%domercadodebateriasdeíon-lítiopara2022.Eagoraestásurgindouma“segundavida”paraosusosdebateriasdeíon-lítio,normalmentecomveículoselétricosouveículoselétricoshíbridos.Aindústriaautomobilística,emgeral,defineo“fimdavidaútil”comoomomentoemqueumabateriadeíon-lítioperdeu20%desuacapacidadedearmazenamentodeenergiaoriginalou25%dasuacapacidadedepotênciadepico–ummarcoquenormalmenteéalcançadoapós200.000milhasou2.000ciclosdecarga.44Asaplicaçõesde“segundavida”incluemarevendadasbateriasusadasdeíon-lítiodemaisaltaqualidadeparaveículoselétricosouveículoselétricoshíbridos,principalmenteosutilizadosemáreasurbanas,eparaoarmazenamentodeenergiaestacionáriaemaplicaçõesderederecombinadaseminstalaçõesmaiores(noníveldemegawatts)ousimplesmenteusadasemseuestadooriginal.45Sejanaprimeiraounasegundavida,emveículoselétricosounoarmazenamentodeenergiaestacionária,asbateriasdeíon-lítioestãosendousadasporperíodosmaislongosepormaisciclosdoquenunca.

Umacrençacomumsobreasbateriasdeíon-lítioéqueelassetornammaissegurasaolongodotempo,principalmentepelofatodequeoenvelhecimentotendea

As baterias de íon-lítio são cada vez mais utilizadas por longos períodos devido à reciclagem, à reutilização ou às aplicações com tempo de vida útil esperado maior.

22

degradarodesempenho,fazendocomqueasbateriaspercampartedasuacapacidadedearmazenamentodeenergia,bemcomopartedesuaeficiêncianadescargadeenergia.Parecefazersentidoqueumabateriacommenosenergiaarmazenadaeumacapacidademaislimitadadedescarregamentodessaenergiatenhaumriscomaisbaixoeque,aolongodotempo,agravidadepotencialdasfalhasdiminua.Umahipótesecontráriasobrebateriasdeíon-lítioéadequeadegradaçãodosmateriaisdasbateriasdeíon-lítio,devidoaoenvelhecimento,confeririaàsbateriasumriscomaiordefalha.

Asegurançadasbateriasdeíon-lítioenglobatantoafrequênciaquantoagravidadedafalha.Porcausadatendênciademaiortempodeusodasbateriasdeíon-lítioedosciclosdereutilização,aULacreditaqueosefeitosdoenvelhecimentonasegurançadasbateriasdeíon-lítiodevamserestudadosparacompreendercomoosmecanismosdeenvelhecimentoafetamafalhadasbaterias.

TÉCNICA PROPÓSITO

Análise de Materiais

Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV)

Observar a alteração da morfologia da superfície do eletrodo, assim como o tamanho das partículas, a distribuição do material ativo, o aglomerante, o carbono condutor, a camada de revestimento, a espessura etc.

Raios-X de energia dispersiva (EDX)

Analisar a estrutura química de superfície – principalmente da camada de interface do eletrólito sólido – do eletrodo

Difração de raios-X (XRD) Observar a mudança estrutural de cristal do eletrodo

Infravermelho por Transformada de Fourier

(FTIV)

Analisar a estrutura química de superfície – principalmente da camada de interface do eletrólito sólido – do eletrodo

Calorimetria diferencial de varredura (DSC)

Evaluate the change of thermal stability of the electrode materials

Espectroscopia Raman Observar a mudança estrutural de cristal do eletrodo

Espectroscopia de fotoelétrons excitados por

raios-X (XPS)

Analyze the surface chemistry, mainly SEI layer, of electrode

Pirólise com cromatografia gasosa e espectroscopia de

massa (GC/MS)

Analisar o mecanismo de decomposição térmica para os materiais ativos

Teste não

destrutivo

Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)

Analisar a mudança da resistência interna

Varredura por tomografia computadorizada (TC)

Investigar a estrutura física interna, como a válvula, o invólucro do eletrodo e o alinhamento

Teste de

anormalidades

Curto-circuito interno induzido por indentação

(IIISC)

Avaliar os comportamentos da bateria quando ocorrer um curto-circuito interno localizado

Vibração Avaliar o comportamento da bateria em caso de vibração após ciclos de carga/descarga

Contêiner térmico Avaliar a estabilidade térmica da bateria

Sobrecarga Avaliar o comportamento da bateria sob condição de sobrecarga

Pesquisa da UL sobre os efeitos do envelhecimento 48

REVISTA ENERGIA SUSTENTÁVEL/EFEITOS DO ENVELHECIMENTO DAS BATERIAS DE ÍON-LÍTIO 23

O QUE FEZ A UL? AULdesenvolveuumestudodepesquisainicialparaentenderoquefoisugeridopelasfalhasdecampo.Apesquisainicialestavacentradaemumtipocomumenteusadodecélulasdeíon-lítio:abateriadeíon-lítiodotipo18650comumacomposiçãoquímicadeóxidodelítio-cobalto(LiCoOx)e2.800miliamperes/hora(mAh)decapacidadedearmazenamentodeenergia.46Oplanoerarealizartestescomasbateriasa25°Ce45°Caolongode50,100,200,300,350e400ciclosdecarga.Apesquisaincluiuaanálisenãodestrutiva,ostestesdeabusoeaanálisedomaterialparainvestigaracorrelaçãopotencialentreomecanismodeenvelhecimentonosmateriaiseatolerânciadeumacélulaàscondiçõesdeabuso.47

Nossapesquisainovadorasobreosefeitosdoenvelhecimentodasbateriasdeíon-lítioidentificoudoisproblemasdesegurançacríticos.

Aprimeirapreocupaçãodesegurançaéoefeitodapolarizaçãoembateriasenvelhecidas,oquepodeserdetectadoapartirdeperfisdetemperaturaedetensãodacéluladuranteasobrecarga.Quandoocorreapolarizaçãoemumabateria,umníveldetensãomaisaltopodegeralmenteserobservadoduranteacarga,enquantoumníveldetensãomaisbaixopodeserobservadoduranteadescarga.Alémdisso,umaumentodoefeitotérmico,quetambéméumapreocupaçãodesegurançapotencial,resultadoaumentodaimpedânciadascélulasedadeterioraçãodaeficiênciadecarregamentoedescarregamento.

Umefeitotérmicomaiortambémpodelevaraumriscomaiordereaçõesquímicascolateraisquesãodesfavoráveisaodesempenhosegurodeumabateriadeíon-lítio.Porexemplo,ainterfacedoeletrólitosólido(SEI)funcionanormalmentecomoacamadadeproteçãoparaevitarqueomaterialdoeletrólitorealizeinteraçõesadicionaiscomoeletrodoemumacéluladeíon-lítio.49Noentanto,ainterfacedoeletrólitosólidoétermicamenteinstávelepodesedecompora60°Cemalgumassituaçõesespecíficas.50Afalhadainterfacedoeletrólitosólidopodesetornaracausaraizque,porfim,levaráaumafugatérmicacatastrófica.51

A célula envelhecida por 400 ciclos mostra uma explosão muito mais violenta do que as envelhecidas por menos de 300 ciclos.


Outrapreocupaçãodesegurançaimportantequenossapesquisaidentificouéaestabilidadetérmicadosmateriaisativosembateriasenvelhecidas.Combasenoresultadodotestedo“contêinertérmico”,afugatérmicafoidesencadeadaemestágiosiniciaiscomamostrasenvelhecidas.Emcélulasenvelhecidas,afusãoeaventilaçãodoseparadorforamretardadasquandocomparadascomasdeumacélulanovaduranteoteste.Osdadosvindosdeumcalorímetrodiferencialdevarredurasugeremqueasreaçõesdegeraçãodecalorcomascélulasocorremmaiscedonascélulasenvelhecidas.52

Osresultadosdaespectroscopiadeimpedânciaeletroquímicaedaanálisedomaterialfornecemevidênciasdiretaseindiretasdequeacomposiçãoemmassadosmateriaisativosnãomudaemcélulasenvelhecidas.Noentanto,acomposiçãoeaestruturacristalinanasinterfacesdosmateriaisativosmostramalteraçõessignificativasemcélulasenvelhecidasemcomparaçãocomascélulasnovas.Aimplicaçãoaquiéadequeoefeitodoenvelhecimentoocorreprincipalmentepertodaregiãodasuperfíciedosmateriaisativosnascélulastestadas,aqualétambémaregiãoondeocorreoprocessodetrocadeíons.

IMPACTO ApesquisadaULparaavaliarosefeitosdoenvelhecimentodasbateriasdeíon-lítionasegurançaaindaestáemseusestágiosiniciais.Porém,combasenosresultadosatéagora,estamosexpandindonossoprogramadepesquisa.Paraestabelecerresultadosmaisgerais,apesquisasemoveráparaalémdaúnicaestruturaquímicaestudadaatéagoraparaoutrasestruturasquímicascomunsdascélulas,comooNMC(óxidodecobalto-manganês-níquel-lítio)eLFP(lítio-ferro-fosfato).54Apesquisatambémseráestendidapormaiscicloseconduzidaemsistemasdebateriasdeíon-lítiodeformatogrande,comoasusadasemveículoselétricoseaplicaçõesdearmazenamentodeenergiaestacionárias.Umavezqueoimpactototaldoenvelhecimentodasbateriasdeíon-lítionasegurançadabateriafordeterminado,aULiráatualizarasnormasdesegurançapertinentespararefletirosresultadoseajudaragarantirousosegurodebateriasdeíon-lítiocomopassardotempoeemqualqueraplicação.

Teste do “contêiner térmico” em células de íon-lítio do tipo 18650 novas e envelhecidas 53

4

3

2

1

0Ten

são

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m V

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tura

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célu

la e

m °

CFusão do separador, ocorrência de ISC Ventilação8007006005004003002001000

0 500 1000Tempo de teste, em s. Fuga térmica

1500 2000 2500 3000

Tensão da célula (Amostra nova)

Tensão da célula (200 ciclos a 45 °C)

Temperatura da célula (Amostra nova)

Temperatura da célula (200 ciclos a 45 °C)


26REVISTA ENERGIA SUSTENTÁVEL/FONTES

FONTES1 Brain, M., “How Lithium-Ion Batteries Work,” HowStuffWorks.

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2 Brain, M., “How Lithium-Ion Batteries Work,” HowStuffWorks. Web: 31 de maio de 2013. http://electronics.howstuffworks.com/everyday-tech/lithium-ion-battery.htm.



5 Wu, A. et al., “Simulation of Internal Short Circuits in Lithium Ion Cells”, White Paper da UL, 2013.

6 Chapin, J.T. et al., “Study of Aging Effects on Safety of 18650-type LiCoOx Cells”, apresentação da UL: 2011. Web: 31 de maio de 2013. https://batteryworkshop.msfc.nasa.gov/presentations/06_UL%20Battery%20Aging%20research%202011%20NASA%20 Workshop.pdf.



9 Vesely, B., “Fault Tree Analysis (FTA): Concepts and Applications”, apresentação da NASA. Web: 30 de maio de 2013. http://www.hq.nasa.gov/office/codeq/risk/docs/ftacourse.pdf.

10 Vesely, B., “Fault Tree Analysis (FTA): Concepts and Applications”, apresentação da NASA. Web: 30 de maio de 2013. http://www.hq.nasa.gov/office/codeq/risk/docs/ftacourse.pdf.

11 Florence, L. e Tabaddor, M., “Lithium-Ion Battery Safety”, apresentação da UL: 7 de maio de 2013.

12 Tabaddor, M. et al., “Safety Testing of Lithium-Ion Batteries”, White Paper da UL e da Energy Systems Division da NASA, 2011.

13 King, D., “Lithium-Ion Battery Costs To Fall By A Third By 2017 As Demand Jumps”, AutoblogGreen, 16 de março de 2012. Web: 30 de maio de 2013. http://green.autoblog.com/2012/03/16/lithium-ion-battery-costs-to-fall-by-a-third-by-2017-as-demand-j/.

14 Bensinger, K., “Jet Puts Spotlight On Battery Risks”, Los Angeles Times, 19 de janeiro de 2013. Web: 30 de maio de 2013. http://articles.latimes.com/2013/jan/19/business/la-fi-dreamliner-battery-20130119.

15 “Safety Issues for Lithium-Ion Batteries”, White Paper da UL, 2012. Web: 30 de maio de 2013. http://www.ul.com/global/documents/newscience/whitepapers/firesafety/FS_Safety%20Issues%20for%20Lithium-Ion%20Batteries_10-12.pdf.

16 Jacoby, M., “Assessing The Safety Of Lithium-Ion Batteries”, Chemical and Engineering News, 11 de fevereiro de 2013. Web: 2 de junho de 2013. http://cen.acs.org/articles/91/i6/Assessing-Safety-Lithium-Ion-Batteries.html.








24 Greenberger, J., “Lithium-Ion Market on Verge of Dramatic Growth”, The Energy Collective, 24 de fevereiro de 2013. Web: 31 de maio de 2013. http://theenergycollective.com/jim-greenberger/189931/lithium-ion-battery-market-verge-dramatic-growth.




28 “Worldwide Capacity of Lithium-Ion Batteries for Electric Vehicles Will Multiply 10-fold”, Daily Finance, 17 de maio de 2013. Web: 31 de maio de 2013. http://www.dailyfinance.com/2013/05/17/worldwide-capacity-of-lithium-ion-batteries-for-el/.

29 Florence, L., “UN Lithium Battery Transport Tests & UL Battery Safety Standards-Status Update”, apresentação da UL: abril de 2013. Web: 31 de maio de 2013. http://www.ntsb.gov/news/events/2013/batteryforum/presentations/Florence%20UL%20Presentation%20-%20Battery%20Forum.pdf.

30 “Update on Safety Testing of Lithium Ion Batteries”, apresentação da UL: 14 de maio de 2013.




34 Florence, L., “UL 2580, Batteries for Use in Electrical Vehicle Applications, 1st Ed”, apresentação da UL.


36 Florence, L., “UL 2271 Bulletin”, apresentação da UL: dezembro de 2012.


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27REVISTA ENERGIA SUSTENTÁVEL/FONTES

FONTES38 “ANSI/UL 1973 Introduction 10/12”, apresentação da UL: 2011.39 Florence, L., “UN Lithium Battery Transport Tests & UL Battery

Safety Standards-Status Update”, apresentação da UL: abril de 2013. Web: 31 de maio de 2013. http://www.ntsb.gov/news/events/2013/batteryforum/presentations/Florence%20UL%20Presentation%20-%20Battery%20Forum.pdf.


41 Wu, A. et al., “Polarization and Thermal Stability Effects on Aged Lithium-Ion Batteries”, apresentação da UL: 2012.


43 “Lithium Battery Recycling Expected to Reach $2B by 2022”, EV World.com, 2 de março de 2011. Web: 30 de maio de 2013. http://evworld.com/news.cfm?newsid=25315.

44 Wokin, M.V., “Before Recycling, Electric Vehicles Lithium Ion Batteries Enjoy A Second Life”, Interesting, 2011. Web: 30 de maio de 2013. http://ronbarak.tumblr.com/post/3167454791/before-recycling-electric-vehicles-lithium-ion.

45 “Study Of Aging Effects On Safety Of Lithium-Ion Cells”, Corporate Research Focus, newsletter da UL, maio de 2011.



48 Chapin, J.T. et al., “Study of Aging Effects on Safety of 18650-type LiCoOx Cells”, apresentação da UL: 2011. Web: 31 de maio de 2013. https://batteryworkshop.msfc.nasa.gov/presentations/06_UL%20Battery%20Aging%20research%202011%20NASA%20 Workshop.pdf.

49 Vetter, J. et al., “Ageing Mechanisms In Lithium-Ion Batteries”, Journal of Power Sources, volume 147, edições 1 e 2, 9 de setembro de 2005.

50 MacNeil, D.D. et al., “Comparison of the Reactivity of Various Carbon Electrode Materials with Electrolyte at Elevated Temperature”, Journal of The Electrochemical Society, volume 146, edição 10, 1999.

51 Roth, E.P. e Nagasubramanian, G.,“Thermal Stability of Electrodes in Lithium-Ion Cells”, Sandia National Laboratories, 2000. Web: 30 de maio de 2013. http://www.osti.gov/bridge/servlets/purl/751229-OgG6RZ/webviewable/751229.pdf.




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https://batteryworkshop.msfc.nasa.gov/presentations/06_UL%20Battery%20Aging%20research%202011%20NASA%20 Workshop.pdf



http://www.osti.gov/bridge/servlets/purl/751229-OgG6RZ/webviewable/751229.pdf

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