incêndios em baterias são uma preocupação crescente de segurança pública. Veja como reduzir o risco

Na era eletrônica de hoje, as baterias recarregáveis ​​de íons de lítio são onipresentes.Em comparação com as versões de chumbo-ácido que dominaram o mercado de baterias durante décadas, as baterias de iões de lítio podem carregar mais rapidamente e armazenar mais energia com a mesma quantidade de peso.

Estes dispositivos tornam os nossos aparelhos eletrónicos e carros elétricos mais leves e duradouros – mas também têm desvantagens.Eles contêm muita energia e, se pegarem fogo, queimam até que toda a energia armazenada seja liberada.Uma liberação repentina de grandes quantidades de energia pode levar a explosões que ameaçam vidas e propriedades.

Como cientistas que estudam geração de energia, armazenar e conversão, e engenharia automotiva, temos um grande interesse no desenvolvimento de baterias seguras e com alta densidade energética.E vemos sinais encorajadores de que os fabricantes de baterias estão a fazer progressos na resolução deste problema técnico significativo.

Um novo perigo de incêndio

O transporte urbano está passando por uma mudança transformadora em direção à eletrificação.À medida que crescem as preocupações nas cidades de todo o mundo sobre as alterações climáticas e a qualidade do ar, veículos elétricos ocuparam o centro do palco.

Ao mesmo tempo, as bicicletas elétricas e as scooters elétricas estão a transformar o trânsito urbano, proporcionando formas convenientes e com baixo teor de carbono para navegar em ruas movimentadas e reduzir o congestionamento do tráfego.De 2010 a 2022, as e-bikes e e-scooters partilhadas – aquelas pertencentes a redes de aluguer – representaram mais de meio bilhão de viagens nos EUAcidades.As e-bikes privadas somam-se a esse total:Em 2021, mais de 880.000 e-bikes foram vendidas nos EUA, em comparação com 608 mil carros e caminhões elétricos.

Veículos movidos a bateria são responsáveis ​​por uma pequena parcela de incêndios em automóveis, mas controlar incêndios de EV é difícil.Normalmente, um incêndio de EV queima a cerca de 5.000 graus Fahrenheit (2.760 Celsius), enquanto um veículo movido a gasolina em chamas queima a 1.500 F (815 C).São necessários cerca de 2.000 galões de água para apagar um veículo movido a gasolina em chamas;apagar um incêndio de EV pode levar 10 vezes mais.

Esta é uma grande preocupação nas grandes cidades onde os veículos elétricos são populares.Corpos de bombeiros na cidade de Nova York e São Francisco tratam de relatórios mais de 660 incêndios envolvendo baterias de íon de lítio desde 2019.Na cidade de Nova York, esses incêndios causaram 12 mortes e mais de 260 feridos de 2021 até o início de 2023.Claramente, há necessidade de práticas mais seguras de manuseio e carregamento, bem como de melhorias técnicas nas baterias.

Muitas baterias em um EV

Para entender os incêndios em baterias de íons de lítio, é importante conhecer alguns princípios básicos.Uma bateria contém produtos químicos que contêm energia, com um separador entre os eletrodos positivos e negativos.Funciona por convertendo essa energia em eletricidade.

Os dois eletrodos de uma bateria são cercados por um eletrólito – uma substância que permite que uma carga elétrica flua entre os dois terminais.Em uma bateria de íons de lítio, por exemplo, os íons de lítio carregam a carga elétrica.Quando um dispositivo é conectado a uma bateria, ocorrem reações químicas nos eletrodos e criam um fluxo de elétrons no circuito externo que alimenta o dispositivo.

Celulares e câmeras digitais podem funcionar com uma única bateria, mas um carro elétrico precisa de muito mais energia e potência.Dependendo do seu design, um VE pode conter dezenas a milhares de baterias individuais, que são conhecidas como células.As células são agrupadas em conjuntos chamados módulos, que por sua vez são montados em pacotes.Um EV padrão conterá uma grande bateria com muitas células dentro dela.

O que causa incêndios na bateria

Normalmente, um incêndio na bateria começa em uma única célula dentro de uma bateria maior.Existem três razões principais para uma bateria acender:danos mecânicos, como esmagamento ou penetração em caso de colisão de veículos;danos elétricos de um externo ou interno curto-circuito;ou superaquecimento.

Os curtos-circuitos da bateria podem ser causados ​​por manuseio externo incorreto ou reações químicas indesejadas dentro da célula da bateria.Quando as baterias de iões de lítio são carregadas demasiado rapidamente, as reações químicas podem produzir agulhas de lítio muito afiadas chamadas dendritos no ânodo da bateria – o elétrodo com carga negativa.Eventualmente, eles penetram no separador e atingem o outro eletrodo, causando um curto-circuito interno na bateria.

Esses curtos-circuitos aquecem a célula da bateria a mais de 100 C (212 F).A temperatura da bateria aumenta lentamente no início e depois de uma só vez, atingindo a temperatura máxima em cerca de um segundo.

Outro fator que torna difícil lidar com incêndios em baterias de íons de lítio é a geração de oxigênio.Quando os óxidos metálicos no cátodo de uma bateria, ou eletrodo carregado positivamente, são aquecidos, eles decompor e liberar gás oxigênio.Os incêndios precisam de oxigênio para queimar, portanto, uma bateria que pode criar oxigênio pode sustentar um incêndio.

Devido à natureza do eletrólito, um aumento de 20% na temperatura de uma bateria de íons de lítio faz com que algumas reações químicas indesejadas ocorram muito mais rapidamente, o que libera calor excessivo.Este excesso de calor aumenta a temperatura da bateria, o que por sua vez acelera as reações.O aumento da temperatura da bateria aumenta a taxa de reação, criando um processo chamado fuga térmica.Quando isso acontece, a temperatura em uma bateria pode subir de 212 F (100 C) para 1.800 F (1.000 C) em um segundo.

Gerenciando o problema de fuga térmica

Os métodos para garantir a segurança da bateria podem se concentrar nas condições externas ou internas da bateria.A proteção externa normalmente envolve o uso de dispositivos eletrônicos, como sensores de temperatura e válvulas de pressão, para garantir que a bateria não seja submetida a calor ou força que possa causar um acidente.

Porém, esses mecanismos tornam a bateria maior e mais pesada, o que pode reduzir o desempenho do dispositivo que ela alimenta.E podem não ser fiáveis ​​sob temperaturas ou pressões extremas, como as produzidas num acidente de carro.

As estratégias de proteção interna concentram-se no uso de materiais intrinsecamente seguros para componentes de baterias.Esta abordagem oferece uma oportunidade para abordar perigos potenciais na sua origem.

Tornar a fuga térmica em uma bateria menos intensa requer uma mistura de melhorias de software e hardware.Os cientistas estão trabalhando para desenvolver cátodos que liberem menos oxigênio quando se decompõem;eletrólitos não inflamáveis; eletrólitos de estado sólido, que não pegam fogo e também podem ajudar a aliviar o crescimento de dendritos;e separadores que podem suportar altas temperaturas sem derreter.

Outra solução já está em uso: sistemas de gerenciamento de bateria.São pacotes de hardware e software integrados às baterias que podem monitorar parâmetros vitais da bateria, como o estado da carga, a pressão interna e a temperatura das células da bateria.

Assim como um médico utiliza os sintomas de um paciente para diagnosticar e tratar sua doença, os sistemas de gerenciamento de bateria podem diagnosticar condições dentro da bateria e tomar decisões autônomas para desligar as baterias com pontos quentes ou para alterar a distribuição de carga para que qualquer bateria individual não ficar muito quente.

A química das baterias está evoluindo rapidamente, portanto, novos projetos exigirão novos sistemas de gerenciamento de baterias.Muitos produtores de baterias estão formando parcerias que reúnem fabricantes com experiência complementar em baterias para enfrentar esse desafio.

Os usuários também podem tomar medidas para maximizar a segurança.Use tomadas e equipamentos de carregamento recomendados pelo fabricante e evite sobrecarregar ou deixar um VE conectado durante a noite.Inspecione a bateria regularmente em busca de sinais de danos ou superaquecimento.Estacione o veículo longe de ambientes extremamente quentes ou frios – por exemplo, estacione na sombra durante ondas de calor – para evitar estresse térmico na bateria.

Finalmente, em caso de colisão ou acidente envolvendo um VE, siga os protocolos de segurança do fabricante e desligue a bateria se possível para minimizar o risco de incêndio ou electrocussão.