• APLICAÇÃODAMETODOLOGIADEANÁLISEDAÁRVOREDEFALHAS• TESTEDEISCINDUZIDOPORINDENTAÇÃO• NORMASAVANÇADASPARA• EFEITOSDOENVELHECIMENTODASBATERIASDEÍON-LÍTIO
NEW SCIENCE ENERGIA SUSTENTÁVEL
EDIÇÃO II DA REVISTA UL.COM/NEWSCIENCE-BRAZIL
BATERIAS DE ÍON-LÍTIO
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.
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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.
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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.
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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.
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NossaAnálisedaÁrvoredeFalhascombinaosresultadosdeváriosestudosdepesquisaacessíveisaopúblicoerepresentagraficamenteascausaseasrelaçõesentreoseventosquelevamlogicamentedeumdefeitodefabricaçãooudanoscausadosporumaforçaexternaaofuncionamentoderiscodeumacéluladeíon-lítio.
IMPACTO AULestáconstantementeprocurandomelhorarasegurançadasbateriasdeíon-lítio.Issorequerumaabordagemsistemática,umacompreensãoaprofundadadosincidentesdecampodasbateriasdeíon-lítioeumesforçoconcentradonapesquisaenodesenvolvimentodenormasparalidarcomascausasdessesincidentes.AaplicaçãoinovadoradaAnálisedaÁrvoredeFalhasnasfalhasdasbateriasdeíon-lítiorepresentaanovaciênciaquesurgeparaadicionarumadimensãoextraderigoràabordagemdaUL.Issoforneceumregistrotransparenteedetalhadodaanálisesobreascausasdefalhasdebateria,oquetornaaAnálisedaÁrvoredeFalhasumaferramentaeficazparaacomunicaçãoeaconstruçãodeumconsenso,tantonaprópriaULquantocomnossosváriosparceirosdepesquisaeinteressadosemsegurança.AAnálisedaÁrvoredeFalhastambémnosajudaaidentificarquaisnovaspesquisassãoindicadasparaaexploraçãoeavalidaçãodenovascausaspotenciaisdefalhasdebateria,comosugeridoporoutrosresultadosdepesquisaouincidentesdecampo.AAnálisedaÁrvoredeFalhaséfundamentalparaaformacomoaULajudaagarantirasegurançadasbateriasdeíon-lítio.
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APLICAÇÃODAMETODOLOGIADEANÁLISEDAÁRVOREDEFALHAS
TESTE DE ISC INDUZIDO POR INDENTAÇÃO
NORMASAVANÇADASPARABATERIASDEÍON-LÍTIO
EFEITOSDOENVELHECIMENTODASBATERIASDEÍON-LÍTIO
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
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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
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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)
REVISTA ENERGIA SUSTENTÁVEL/TESTE DE ISC INDUZIDO POR INDENTAÇÃO 13
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.
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TESTEDEISCINDUZIDOPORINDENTAÇÃO
NORMAS AVANÇADAS PARA BATERIAS DE ÍON-LÍTIO
EFEITOSDOENVELHECIMENTODASBATERIASDEÍON-LÍTIO
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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.
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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.
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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.
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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
REVISTA ENERGIA SUSTENTÁVEL/NORMAS AVANÇADAS PARA BATERIAS DE ÍON-LÍTIO
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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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.
REVISTA ENERGIA SUSTENTÁVEL/NORMAS AVANÇADAS PARA BATERIAS DE ÍON-LÍTIO
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)
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
UL 1973Unidades de armazenamento de energia elétrica para aplicações estacionárias e de veículos elétricos leves sobre trilho
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, NEC e de outros códigos de instalação
NEW SCIENCE: SUSTAINABLE ENERGY 21
APLICAÇÃODAMETODOLOGIADEANÁLISEDAÁRVOREDEFALHAS
TESTEDEISCINDUZIDOPORINDENTAÇÃO
NORMASAVANÇADASPARABATERIASDEÍON-LÍTIO
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.
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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.
REVISTA ENERGIA SUSTENTÁVEL/EFEITOS DO ENVELHECIMENTO DAS BATERIAS DE ÍON-LÍTIO 24
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
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célu
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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)
REVISTA ENERGIA SUSTENTÁVEL/EFEITOS DO ENVELHECIMENTO DAS BATERIAS DE ÍON-LÍTIO 25
26REVISTA ENERGIA SUSTENTÁVEL/FONTES
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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.
3 Brain, M., “How Lithium-Ion Batteries Work,” HowStuffWorks. Web: 31 de maio de 2013. http://electronics.howstuffworks.com/everyday-tech/lithium-ion-battery.htm.
4 Brain, M., “How Lithium-Ion Batteries Work,” HowStuffWorks. Web: 31 de maio de 2013. http://electronics.howstuffworks.com/everyday-tech/lithium-ion-battery.htm.
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7 Wu, A. et al., “Simulation of Internal Short Circuits in Lithium Ion Cells”, White Paper da UL, 2013.
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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.
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12 Tabaddor, M. et al., “Safety Testing of Lithium-Ion Batteries”, White Paper da UL e da Energy Systems Division da NASA, 2011.
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18 Tabaddor, M. et al., “Safety Testing of Lithium-Ion Batteries”, White Paper da UL e da Energy Systems Division da NASA, 2011.
19 Tabaddor, M. et al., “Safety Testing of Lithium-Ion Batteries”, White Paper da UL e da Energy Systems Division da NASA, 2011.
20 Tabaddor, M. et al., “Safety Testing of Lithium-Ion Batteries”, White Paper da UL e da Energy Systems Division da NASA, 2011.
21 Florence, L. e Tabaddor, M., “Lithium-Ion Battery Safety”, apresentação da UL: 7 de maio de 2013.
22 Tabaddor, M. et al., “Safety Testing of Lithium-Ion Batteries”, White Paper da UL e da Energy Systems Division da NASA, 2011.
23 Tabaddor, M. et al., “Safety Testing of Lithium-Ion Batteries”, White Paper da UL e da Energy Systems Division da NASA, 2011.
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.
25 Florence, L. e Tabaddor, M., “Lithium-Ion Battery Safety”, apresentação da UL: 7 de maio de 2013.
26 Florence, L. e Tabaddor, M., “Lithium-Ion Battery Safety”, apresentação da UL: 7 de maio de 2013.
27 Florence, L. e Tabaddor, M., “Lithium-Ion Battery Safety”, apresentação da UL: 7 de maio de 2013.
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/.
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31 Florence, L. e Tabaddor, M., “Lithium-Ion Battery Safety”, apresentação da UL: 7 de maio de 2013.
32 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.
33 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.
34 Florence, L., “UL 2580, Batteries for Use in Electrical Vehicle Applications, 1st Ed”, apresentação da UL.
35 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.
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27REVISTA ENERGIA SUSTENTÁVEL/FONTES
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53 “Study Of Aging Effects On Safety Of Lithium-Ion Cells”, Corporate Research Focus, newsletter da UL, maio de 2011.
54 “Study Of Aging Effects On Safety Of Lithium-Ion Cells”, Corporate Research Focus, newsletter da UL, maio de 2011.
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