Novas Estratégias para Controlar Fuga Térmica em Baterias de Veículos Elétricos
Com a adoção global de veículos elétricos em crescimento acelerado, a segurança das suas baterias de ião de lítio permanece uma preocupação crítica para fabricantes automóveis, reguladores e consumidores. Entre os desafios mais prementes está a fuga térmica – uma reação em cadeia autossustentável dentro das células da bateria que pode levar a incêndios ou explosões. Uma investigação recente liderada por Chen Guohe, Lyu Peizhao, Li Menghan e Rao Zhonghao da Universidade de Tecnologia de Hebei fornece uma análise abrangente de como a fuga térmica se propaga em módulos de bateria e avalia estratégias de ponta para mitigar os seus riscos. As suas descobertas, publicadas na Energy Storage Science and Technology, iluminam caminhos para sistemas de baterias mais seguros e resilientes.
A fuga térmica começa quando reações secundárias internas numa célula de ião de lítio – como a decomposição da camada de interface de eletrólito sólido (SEI) ou reações entre o cátodo e o eletrólito – geram calor mais rapidamente do que pode ser dissipado. Isto desencadeia um efeito dominó: o aumento das temperaturas acelera ainda mais as reações exotérmicas, levando a picos de temperatura rápidos, geração de gás e, em casos graves, à libertação de gases ou ignição da célula. Embora os veículos elétricos modernos incorporem sistemas sofisticados de gestão de baterias, a propagação da fuga térmica de uma célula para as células vizinhas num pack pode comprometer um módulo inteiro, representando riscos significativos de segurança.
Os investigadores enfatizam que compreender os mecanismos de propagação é tão vital quanto prevenir o evento inicial. O calor espalha-se através de três vias principais: condução através dos invólucros das células e interligações, convecção a partir de gases quentes e materiais libertados, e radiação de chamas ou superfícies incandescentes. Dependendo da geometria da bateria – cilíndrica, prismática ou em pouch – o modo dominante de transferência de calor varia. Por exemplo, em módulos prismáticos compactos, a condução através do invólucro de alumínio é responsável pela maioria da transferência de calor para as células adjacentes. Em contraste, as células cilíndricas espaçadas muito próximas podem experienciar aquecimento radiativo significativo, especialmente quando estão presentes chamas.
Uma série de fatores influencia a rapidez e extensão da propagação da fuga térmica. A química da bateria desempenha um papel crucial. Células com cátodos ricos em níquel como o NCM811 exibem uma propagação mais rápida e violenta em comparação com aquelas que utilizam fosfato de ferro e lítio (LFP), que é intrinsecamente mais termicamente estável. O estado de carga (SOC) também é importante – um SOC mais elevado significa mais energia química armazenada disponível para alimentar reações exotérmicas. Experiências mostram que uma célula pouch NCM de 10 Ah a 100% de SOC pode desencadear células vizinhas em menos de dois minutos, enquanto a mesma célula a 20% de SOC pode não propagar de todo.
O desenho físico do pack de bateria modula ainda mais o risco. A topologia de ligação – quer as células estejam ligadas em série, paralelo ou configurações híbridas – afeta tanto o comportamento elétrico como térmico durante uma falha. Ligações em paralelo, embora benéficas para a distribuição de corrente durante a operação normal, podem exacerbar a fuga térmica ao permitir uma redistribuição de corrente que sobreaquece as células adjacentes. Um estudo citado na revisão descobriu que um módulo cilíndrico 1S10P experienciou propagação total minutos após a falha de uma única célula, enquanto uma configuração 10S1P não mostrou propagação sob condições idênticas.
O arranjo da bateria também influencia a dinâmica de propagação. O empilhamento vertical, comum em muitas plataformas de veículos elétricos, permite que jatos de chama e gases quentes de uma célula falhada inferior incidam diretamente sobre as células acima, acelerando a propagação ascendente. Em contraste, layouts em estilo de tijolo ou escalonados podem interromper os caminhos diretos da chama e aumentar a distância que o calor deve percorrer, retardando ou parando assim falhas em cascata. Investigadores demonstraram que tais intervenções geométricas poderiam conter eficazmente a fuga térmica dentro de um único módulo, prevenindo um colapso de todo o sistema.
As condições ambientais acrescentam outra camada de complexidade. Em grandes altitudes ou em aplicações aeroespaciais, a redução da pressão ambiente altera as características de combustão e a transferência de calor. Contra-intuitivamente, ambientes de baixa pressão podem suprimir ou acelerar a propagação, dependendo da química da célula e da configuração do módulo. Por exemplo, módulos LFP mostraram um risco de propagação aumentado abaixo de 70 kPa, enquanto módulos NCM523 exibiram propagação reduzida sob as mesmas condições. Isto sublinha a necessidade de uma validação de segurança específica para cada aplicação, especialmente à medida que os veículos elétricos se expandem para ambientes operacionais diversos.
Perante este pano de fundo, a equipa de investigação avalia sistematicamente estratégias de gestão térmica concebidas para interromper a propagação. Métodos de arrefecimento passivos e ativos oferecem, cada um, vantagens e compromissos distintos.
O arrefecimento por ar, embora simples e de baixo custo, fornece um amortecimento térmico limitado durante eventos de fuga térmica. No entanto, o fluxo de ar forçado – particularmente o vento longitudinal – pode suprimir significativamente o desenvolvimento de chamas. Uma experiência descobriu que um fluxo de ar superior a 4,5 m/s eliminou chamas visíveis após a libertação de gases, reduzindo os riscos de ignição secundária. Embora insuficiente como uma solução autónoma para packs de alta energia, o arrefecimento por ar pode servir como uma medida complementar em aplicações de menor risco.
Os sistemas de arrefecimento líquido, amplamente adotados em veículos elétricos premium, oferecem uma capacidade superior de remoção de calor. O arrefecimento líquido indireto – onde o líquido de arrefecimento flui através de canais adjacentes às células – pode atrasar a propagação, mas muitas vezes não a consegue prevenir uma vez que a fuga térmica é iniciada. As placas frias com microcanais e serpentinas melhoram o desempenho, mas requerem vazões elevadas (por exemplo, 96 L/h) para suprimir eficazmente o aumento de temperatura nas células adjacentes. Crucialmente, a velocidade de resposta do sistema é importante: aumentar o fluxo do líquido de arrefecimento imediatamente após a deteção de uma anomalia pode reduzir as temperaturas de pico nas células vizinhas em mais de 100°C, ganhando tempo crítico para intervenção.
Mais promissor é o arrefecimento por imersão direta, onde as células são submersas em fluidos dielétricos, como óleo de transformador, óleo de silicone ou fluorcarbonetos engineering como o Novec 649. Estes fluidos absorvem calor diretamente das superfícies das células e suprimem a combustão ao limitar o acesso ao oxigénio. Num teste, um módulo pouch NCM622 de 60 Ah submerso em Novec 649 mostrou temperaturas superficiais limitadas a 184°C durante uma fuga térmica induzida por sobrecarga – muito abaixo dos 500–800°C típicos no ar – e não exibiu chama ou propagação. Os sistemas de imersão também eliminam a necessidade de placas frias complexas, potencialmente simplificando o design do pack.
Materiais de mudança de fase (PCMs) oferecem amortecimento térmico passivo ao absorver grandes quantidades de calor durante a fusão. No entanto, os PCMs orgânicos tradicionais, como a parafina, são inflamáveis, representando um perigo adicional de incêndio. Para resolver isto, os investigadores desenvolveram compósitos retardadores de chama – misturando PCMs com aditivos como hidróxido de alumínio, polifosfato de amónio ou melamina. Estas formulações atrasam o início da fuga térmica em vários minutos e reduzem a velocidade de propagação. Por exemplo, um PCM com uma mistura 10:6:3 de fosfato de amónio, melamina e pentaeritritol estendeu o tempo de propagação num módulo pouch NCM de 10 Ah em 90 segundos. PCMs inorgânicos, como o tri-hidrato de acetato de sódio, eliminam a inflamabilidade, mas enfrentam desafios com a separação de fases e o arrefecimento abaixo do ponto de solidificação, exigindo encapsulamento ou estruturação compósita.
Materiais de alta condutividade térmica – compósitos de grafite, placas de alumínio ou espumas metálicas – podem redistribuir o calor para longe dos pontos quentes, prevenindo picos de temperatura localizados. No entanto, em módulos grandes e de alta energia, estes materiais podem inadvertidamente acelerar a propagação ao conduzir calor mais eficientemente para as células vizinhas. Assim, a sua utilização deve ser cuidadosamente calibrada. Inversamente, os materiais de isolamento térmico atuam como barreiras. Os aerogéis, particularmente as variantes à base de sílica, exibem uma condutividade térmica ultrabaixa (<0,02 W/m·K) e estabilidade acima de 600°C. Uma folha de aerogel de 6,9 mm bloqueou com sucesso a propagação num módulo de alto níquel (NCMA) com temperaturas superficiais superiores a 800°C. Da mesma forma, placas de microesferas de vidro oco (HGM) com apenas 3 mm de espessura pararam a fuga térmica em células prismáticas NCM811 de 51 Ah.
Reconhecendo as limitações das abordagens de método único, os investigadores estão a explorar cada vez mais sistemas híbridos. Combinar isolamento de aerogel com arrefecimento líquido, por exemplo, aproveita a capacidade do isolamento para atrasar a transferência de calor e a capacidade do líquido de arrefecimento para remover energia ao longo do tempo. Um design híbrido manteve as temperaturas das células adjacentes abaixo de 90°C durante um evento de falha tripla de células. Outro sistema integrou PCM, placas de alumínio e fluxo líquido – melhorando a uniformidade da temperatura em operação normal enquanto fornece uma defesa térmica multiestágio durante situações de abuso.
Olhando para o futuro, os autores identificam três direções-chave de investigação. Primeiro, é necessária uma compreensão mecanicista mais profunda dos processos de libertação de gases e combustão durante a fuga térmica – particularmente o papel das partículas sólidas e dos eletrólitos aerosolizados – para refinar os modelos de propagação. Segundo, ferramentas de simulação multiescala e multifásicas que acoplem a física eletroquímica, térmica, dinâmica de fluidos e combustão devem ser desenvolvidas e validadas, com modelos de ordem reduzida permitindo uma iteração de design mais rápida. Terceiro, os sistemas de gestão térmica de próxima geração devem unir a eficiência de operação normal e as capacidades de supressão de emergência, potencialmente através de materiais inteligentes que se ativam apenas sob condições extremas.
Para a indústria automóvel, estes insights têm relevância imediata. À medida que os fabricantes automóveis avançam para densidades energéticas mais elevadas para estender a autonomia, a segurança não pode ser uma reflexão tardia. As arquiteturas de baterias devem integrar barreiras de propagação térmica desde o início – não como extras, mas como elementos centrais de design. Padrões regulamentares, como o GB 38031–2020 da China, já obrigam à resistência à propagação de fuga térmica, e requisitos semelhantes estão a emergir globalmente. As estratégias aqui revistas fornecem um roteiro para a conformidade sem sacrificar o desempenho.
Em última análise, o objetivo não é apenas conter a falha, mas preveni-la. Embora nenhum sistema possa garantir segurança absoluta, defesas em camadas – combinando química de células robusta, arquitetura inteligente de packs, gestão térmica responsiva e monitorização avançada – podem reduzir a probabilidade e as consequências da fuga térmica para níveis negligenciáveis. À medida que os veículos elétricos se tornam predominantes, tal rigor de engenharia será essencial para manter a confiança do consumidor e permitir uma mobilidade sustentável.
Informação dos Autores: Chen Guohe, Lyu Peizhao, Li Menghan, Rao Zhonghao, Escola de Engenharia de Energia e Ambiente, Universidade de Tecnologia de Hebei, Tianjin 300401, China. Revista: Energy Storage Science and Technology DOI: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0091