Baterias de Alta Densidade Apresentam Riscos Ocultos em Espaços Confinados
À medida que os veículos elétricos continuam sua rápida adoção global, um novo estudo científico alerta sobre os perigos ocultos das baterias de lítio-íon com alto teor de níquel – particularmente quando falham dentro dos ambientes confinados e compactos dos modernos packs de baterias. A pesquisa, conduzida por uma equipe da Universidade do Povo da Polícia da China, revela que enquanto espaços confinados podem suprir chamas visíveis durante a fuga térmica, eles não impedem que a reação em cadeia catastrófica se espalhe de uma célula para outra. Esta descoberta desafia pressupostos predominantes na engenharia de segurança de veículos elétricos e tem implicações profundas para o design de veículos, estratégias de supressão de incêndios e investigações forenses pós-acidente.
O estudo foca nas baterias NCM811 – assim nomeadas porque seu cátodo é composto por 80% de níquel, 10% de cobalto e 10% de manganês. Estas células de alta densidade energética tornaram-se a escolha preferida dos fabricantes automotivos que buscam maximizar a autonomia. Mas com maior conteúdo de níquel vem maior reatividade química e reduzida estabilidade térmica. A nova pesquisa, publicada na Energy Storage Science and Technology, demonstra quão voláteis estas baterias podem se tornar sob condições reais de falha.
Em experimentos controlados, os pesquisadores colocaram um módulo de quatro células de 51 Ah NCM811 dentro de uma câmara de aço selada projetada para simular a geometria restrita de um invólucro de bateria de veículo elétrico. O módulo foi totalmente carregado para 100% do estado de carga (SOC) – uma condição comum durante viagens longas ou carregamento noturno – e então submetido a aquecimento externo em uma extremidade para desencadear fuga térmica na primeira célula.
O que aconteceu a seguir foi dramático e revelador. Dentro de segundos após a falha inicial da célula, ela expeliu um jato de partículas incandescentes e gases inflamáveis através de sua válvula de alívio de pressão. Uma chama jato breve mas intensa irrompeu, inflamando os gases acumulados dentro da câmara e causando uma bola de fogo momentânea – um fenômeno conhecido como flashover. No entanto, devido ao suprimento limitado de oxigênio no espaço confinado, a chama se extinguiu dentro de dois segundos. Apesar da ausência de fogo sustentado, as três células restantes ainda sofreram fuga térmica completa, uma após a outra, durante os próximos 237 segundos.
Criticamente, nenhuma das células subsequentes produziu chamas visíveis. No entanto, cada uma expeliu quantidades massivas de partículas incandescentes – brasas vermelhas brilhantes que atingiram temperaturas entre 820°C e 979°C. Estas partículas, compostas de materiais fragmentados do cátodo e ânodo, continuaram a ser expelidas das células mesmo após a chama ter desaparecido, enchendo a câmara com densa fumaça negra e representando sérios riscos de ignição secundária se o oxigênio fosse reintroduzido – como durante operações de resgate ou ventilação pós-colisão.
“Isto muda completamente como pensamos sobre incêndios em baterias de veículos elétricos”, disse o pesquisador principal Dengchao Han. “A ausência de chama aberta não significa que o perigo passou. Na verdade, a propagação da fuga térmica continua inabalável, e o ambiente permanece extremamente perigoso devido a ejecta de alta temperatura e gases tóxicos.”
O estudo documenta meticulosamente a linha do tempo da falha. A propagação interna da fuga térmica dentro de uma única célula – definida como o tempo para o calor viajar da superfície frontal (aquecida) para a traseira – variou de apenas 5 a 7 segundos. Entre células adjacentes, o atraso de propagação variou de 52 a 106 segundos, com o intervalo mais longo ocorrendo entre a terceira e quarta células, provavelmente devido ao pré-aquecimento reduzido e absorção adicional de calor pelos fixadores de montagem.
Talvez mais preocupante seja a escala da perda de material durante a falha. Cada célula perdeu entre 390 e 462 gramas de massa – representando 45,6% a 52,7% do seu peso total. Esta massa não foi apenas vaporizada; foi violentamente ejetada como óxidos metálicos fundidos, fragmentos de carbono e compostos de eletrólito decompostos. Tal ejeção massiva não apenas compromete a integridade estrutural, mas também espalha materiais reativos por todo o compartimento da bateria, potencialmente inflamando componentes próximos ou complicando os esforços de combate a incêndios.
A deformação física das células também conta uma história forense. Após o teste, cada célula exibiu uma protuberância distinta em sua face frontal e um amassado correspondente na traseira – apontando diretamente para a célula inicialmente acionada. Este padrão de deformação direcional, observam os pesquisadores, poderia servir como pista crucial para investigadores de acidentes tentando determinar a origem de um evento de fuga térmica em colisões do mundo real ou incêndios em garagens.
Além das observações macroscópicas, a equipe conduziu análises microscópicas e elementares detalhadas dos materiais do cátodo antes e após a fuga térmica. Usando microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de raios X por dispersão de energia (EDS), eles descobriram que as partículas NCM811, uma vez lisas e uniformemente distribuídas, haviam sofrido aglomeração severa e picamento superficial pós-falha. Mais significativamente, o conteúdo de oxigênio no cátodo caiu de 39,96% para 32,15% – evidência direta da liberação de oxigênio durante a decomposição térmica.
Esta liberação de oxigênio é um fator chave na severidade da fuga térmica. Diferentemente das baterias de fosfato de ferro e lítio (LFP), que permanecem relativamente estáveis, cátodos ricos em níquel como o NCM811 se decompõem exotermicamente em altas temperaturas, liberando oxigênio que então reage violentamente com o eletrólito orgânico e o ânodo de grafite litiada. Esta reação auto-sustentável não requer oxigênio externo – significando que pode continuar furiosa mesmo em ambientes selados e pobres em oxigênio.
“O oxigênio vem do próprio cátodo”, explicou o coautor Huaibin Wang, professor associado especializado em dinâmica de incêndio de baterias. “É por isso que o confinamento não para a propagação. O fogo não está ‘queimando’ no sentido tradicional; é uma série de reações redox internas alimentadas pela própria química da bateria.”
Esta percepção tem grandes implicações para o design de packs de baterias. Muitas arquiteturas atuais de veículos elétricos dependem de barreiras passivas contra fogo ou revestimentos retardantes de chama que assumem que o oxigênio externo é necessário para a combustão. Mas se o perigo primário é a propagação térmica livre de oxigênio impulsionada pela química interna, tais medidas podem ser insuficientes. Em vez disso, o estudo sugere que a mitigação efetiva deve focar na dissipação rápida de calor, separação física das células e detecção precoce de liberação de gases – particularmente vapores de eletrólito, que a equipe observou até três segundos antes da ejeção violenta.
Além disso, os resultados destacam as limitações dos testes de incêndio em espaço aberto, que dominaram a pesquisa de segurança de baterias até hoje. Em configurações de ar livre, as chamas são grandes e sustentadas, tornando-as fáceis de observar e medir. Mas dentro do compartimento de bateria de um veículo – frequentemente envolto por invólucros metálicos, placas de resfriamento e reforços estruturais – a dinâmica é completamente diferente. Chamas podem ser suprimidas, mas calor, pressão e partículas reativas se acumulam, criando um ambiente pressurizado de alta temperatura que pode romper invólucros ou reacender upon exposição ao ar.
Para os socorristas, isto significa que um incêndio de veículo elétrico que parece “extinto” ainda pode abrigar perigo extremo. A câmara no estudo permaneceu cheia de partículas reativas quentes muito tempo após a chama desaparecer. Abrir o pack da bateria sem ventilação e resfriamento adequados poderia introduzir oxigênio e desencadear uma explosão secundária – um cenário que já ocorreu em incidentes do mundo real.
Do ponto de vista regulatório, o estudo clama por padrões de segurança atualizados que levem em conta modos de falha em espaços confinados. Os regulamentos atuais da ONU e FMVSS frequentemente avaliam baterias isoladamente ou em configurações abertas. Os novos dados sugerem que os protocolos de teste devem evoluir para simular geometrias realistas de packs, incluindo ventilação limitada e acoplamento térmico entre células.
As montadoras também podem precisar repensar sua busca por densidades energéticas cada vez maiores. Enquanto o NCM811 oferece vantagens de autonomia, sua instabilidade térmica em configurações confinadas apresenta uma compensação de segurança não trivial. Alguns fabricantes começaram a migrar para cátodos híbridos (por exemplo, NCM622 ou NCM532) ou misturar células NCM com LFP para equilibrar desempenho e segurança. Esta pesquisa fornece justificativa empírica para tais estratégias.
Olhando para frente, a equipe da Universidade do Povo da Polícia da China planeja expandir seu trabalho para outras químicas – incluindo células com ânodo de silício e protótipos de estado sólido – e investigar o papel dos sistemas de gerenciamento de baterias (BMS) na detecção de sinais precoces de fuga térmica. Eles também visam desenvolver protocolos forenses para investigadores de campo, usando padrões de deformação, composição de resíduos e distribuição de partículas para reconstruir sequências de falha.
Por enquanto, a mensagem é clara: a busca por veículos elétricos com maior autonomia não deve ultrapassar nossa compreensão dos perigos de baterias de alta energia. Como Dengchao Han e seus colegas demonstram, os incêndios mais perigosos podem ser aqueles que você não consegue ver.
Esta pesquisa foi conduzida por Dengchao Han, Yuanxiang Pei, Zhaoyang Liu, Songtao Liu, Huaibin Wang, Junli Sun, Yonglu Wang e Yu Han na Universidade do Povo da Polícia da China, Langfang, Hebei, China. Foi publicada na Energy Storage Science and Technology, Vol. 13, No. 11, Novembro 2024, pp. 4133–4142. DOI: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0447.