Reavaliando a Segurança e os Riscos Associados das Baterias de Lítio – Os Eletrólitos em Gel são a Solução?

A demanda por baterias de íon‑lítio está prestes a aumentar a um ritmo fenomenal. Estimativas projetam que entre 2022 e 2030, a demanda global por essas baterias aumentará até sete vezes, atingindo 4,7 terawatt‑horas. 

A demanda é impulsionada pelo uso extensivo dessas baterias em eletrônicos portáteis e armazenamento de energia, incluindo veículos elétricos. No entanto, essas baterias não são isentas de risco. Elas são vulneráveis a incêndios e explosões. 

Uma solução para essas vulnerabilidades envolve baterias semi‑sólidas. Elas reduzem os riscos ao encontrar um meio‑termo entre as baterias tradicionais de íon‑lítio com eletrólitos líquidos e baterias de estado sólido. 

Um eletrólito semelhante a gel, usado como componente, ajuda essas baterias a obter maior estabilidade e vida útil mais longa. Contudo, esses eletrólitos em gel, devido ao seu prolongado tratamento térmico em altas temperaturas, podem sofrer degradação significativa, resultando em desempenho reduzido e aumento dos custos de fabricação. O processo de fabricação dessas baterias também enfrenta um desafio devido à resistência de interface entre o eletrólito semi‑sólido e o eletrodo. 

Recentemente, o Professor Soojin Park, Seoha Nam, candidato a PhD, e a Dra. Hye Bin Son, pesquisadora do Departamento de Química da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang (POSTECH), desenvolveram maneiras viáveis de enfrentar esses desafios ao criar uma bateria baseada em eletrólito em gel estável e comercialmente viável. 

Na próxima seção, aprofundamos a compreensão do mecanismo da bateria.

Eletrólito em Gel Seguro e Comercialmente Viável para Baterias de Lítio

Ao enfrentar os desafios de eletrólitos degradados, desempenho reduzido e custos crescentes, a equipe de pesquisadores utilizou aditivo bifuncional reticulável (CIA) e dipentaeritritol hexaacrilato (DPH) com tecnologia de feixe de elétrons (e‑beam). 

Os pesquisadores seguiram um caminho diferente do processo de fabricação convencional, que envolvia preparação do eletrodo, injeção de eletrólito, montagem, ativação e desgaseificação. 

Em vez disso, eles aprimoraram a dupla funcionalidade do DPH ao introduzir uma etapa adicional de irradiação por feixe de elétrons após o processo de desgaseificação. Enquanto isso, o CIA atuou tanto como aditivo para facilitar uma interface estável entre as superfícies do ânodo e do cátodo durante a ativação quanto como agente de reticulação para formar uma estrutura polimérica durante a irradiação por feixe de elétrons.

A solução resultante pôde reduzir notavelmente a geração de gases provenientes de reações secundárias da bateria durante os processos iniciais de carga e descarga. A diminuição chegou a ser 25,5 vezes maior em comparação com baterias convencionais. A solução também pôde manter de forma estável a resistência interfacial graças à forte compatibilidade entre os eletrodos e o eletrólito em gel. 

No entanto, os pesquisadores não se limitaram a essas conquistas. Eles desenvolveram uma bateria de alta capacidade de 1,2 ampère‑hora, que foi testada a uma temperatura de 55 °C — temperatura na qual os eletrólitos começam a decompor‑se. A 55 °C ou mais, baterias convencionais que utilizam eletrólitos apresentam redução significativa de capacidade e inchaço após 50 ciclos.

A nova bateria, por outro lado, conseguiu manter uma capacidade de 1 ampère‑hora mesmo após 200 ciclos sem gerar gás e demonstrou padrões aprimorados de segurança e durabilidade. 

Ao elaborar sobre a utilidade da descoberta científica, o Professor Soojin Park da POSTECH disse:

“Esta conquista em estabilidade e viabilidade comercial está pronta para ser um marco na indústria de veículos elétricos. Esperamos que esse avanço beneficie grandemente não apenas os veículos elétricos, mas também uma ampla gama de outras aplicações que dependem de baterias de íon‑lítio.”

Nos segmentos seguintes, examinaremos brevemente algumas dessas aplicações das baterias de íon‑lítio. 

A Aplicação de Baterias de Lítio Seguras

Embora tenham ganhado atenção recentemente por seu uso em veículos elétricos, as baterias de íon‑lítio também são utilizadas com segurança em uma ampla variedade de outras aplicações. Várias dessas aplicações são partes integrais de nosso cotidiano, exigindo viabilidade comercial e robustez. Por exemplo, baterias de lítio recarregáveis são comuns em marcapassos e precisam atender ao dispositivo por uma vida útil típica de sete a oito anos, mantendo seu peso abaixo de 30 gramas.

Câmeras digitais, particularmente DSLRs, dependem de baterias de íon‑lítio por seu tamanho compacto e alta capacidade de energia, que oferecem desempenho superior em comparação com outros tipos de bateria. Da mesma forma, assistentes digitais, smartphones e laptops dependem dessas baterias seguras e confiáveis por sua durabilidade, alta densidade energética, construção leve, carregamento fácil e manutenção de baixo custo.

Além disso, pequenas baterias de íon‑lítio com capacidade de 3 volts são usadas em dispositivos tão pequenos quanto relógios, que podem durar até uma década. Essas baterias também alimentam soluções de mobilidade como scooters pessoais, carrinhos de golfe e carrinhos de mão, graças à sua capacidade de armazenar e liberar carga elétrica de forma eficiente. Essa capacidade as torna ideais para aplicações como sistemas UPS, backups de energia de emergência e armazenamento de energia solar. Além disso, são cada vez mais usadas em campos emergentes como veículos marítimos e de lazer, bem como dispositivos médicos portáteis projetados para uso vestível.

A crescente adoção de baterias de lítio impulsionou um aumento em sua produção e fabricação. Contudo, é crucial que esses processos sejam tão seguros e viáveis quanto as próprias baterias. Essa preocupação é ressaltada pelo recente trágico incêndio em uma instalação sul‑coreana de baterias de lítio, que resultou na morte de 22 trabalhadores.

Clique aqui para saber como os fabricantes de baterias estão se esforçando para atender à crescente demanda. 

Incêndio em uma Instalação Sul‑Coreana de Baterias de Lítio

Em 24 de junho, um incêndio devastador irrompeu em uma fábrica de baterias de lítio na Coreia do Sul, causado por múltiplas explosões de baterias, resultando na morte de 22 trabalhadores. A instalação, operada pelo principal fabricante de baterias Aricell, está localizada em Hwaseong, uma zona industrial a sudoeste de Seul.

Pouco depois do início do incêndio, gás tóxico se espalhou rapidamente por toda a fábrica, que armazenava até 35.000 baterias na época. Explicando a possível razão pela qual o incêndio se tornou tão fatal, Kim Jae-ho, professor de Prevenção de Incêndios e Desastres na Universidade de Daejeon, disse:

“Materiais de bateria como o níquel são facilmente inflamáveis. Portanto, muitas vezes, não há tempo suficiente para responder, em comparação com um incêndio causado por outros materiais.”

Os especialistas também apontaram que o número de vítimas foi maior devido aos materiais tóxicos usados e não tanto pelos queimaduras. 

Essas Incidentes São Preveníveis?

É preciso ter sempre cuidado ao lidar com baterias de íon‑lítio, pois elas possuem a maior densidade energética volumétrica entre os dispositivos de armazenamento de energia. A Occupational Safety and Health Administration (OSHA) publicou instruções detalhadas sobre como prevenir lesões por incêndio e explosão em dispositivos pequenos e vestíveis alimentados por baterias de lítio.

O Massachusetts Institute of Technology, uma das instituições de ensino tecnológico mais respeitadas do mundo, também publicou Orientações de Segurança para Íons de Lítio. De acordo com suas instruções, qualquer área de trabalho que manipule essas baterias deve ter superfícies feitas de materiais não condutores e à prova de fogo.

Se for necessário trabalhar em uma superfície condutora, recomenda‑se cobri‑la com um material isolante. Além disso, a área deve estar livre de materiais inflamáveis ou combustíveis, como mesas de madeira, carpetes, gasolina ou objetos pontiagudos que possam perfurar a camada isolante das células. As melhores temperaturas de operação estão entre 15 e 35 °C, e a temperatura ambiente nunca deve ultrapassar 60 °C.

O armazenamento adequado desempenha um papel crítico na redução do risco de incêndio e explosão. O relatório associa muitos incêndios de baterias de íon‑lítio a áreas de armazenamento inadequadas. Para manter os mais altos padrões de segurança, a área de armazenamento deve considerar fatores como design da célula, química, temperatura, estado de carga e duração do período de armazenamento.

As unidades de fabricação de baterias devem adotar medidas de segurança rigorosas, pois incêndios em instalações de baterias de lítio podem ser catastróficos não apenas pelo fogo em si, mas também pela toxicidade resultante.

Embora a segurança na fabricação possa ser continuamente aprimorada, as baterias também precisam ser intrinsecamente seguras. Algumas empresas têm investido constantemente na produção de baterias de lítio seguras. Nos segmentos seguintes, examinaremos essas empresas.

#1. Baterias de Íon‑Lítio da Panasonic Energy

A Panasonic está dedicada a garantir a segurança das baterias à medida que as capacidades aumentam e foca no desenvolvimento de materiais avançados para baterias, aprimoramento de processos e criação de tecnologias de controle para garantir o uso seguro e confiável das baterias.

Suas baterias possuem alto nível de resistência à temperatura, já que o risco de explosão aumenta quando as baterias são aquecidas acima de 100 °C. Contudo, a Panasonic reconhece que empilhar ou misturar baterias pode causar curtos‑circuitos externos, geração de calor, incêndio ou explosão.

A empresa segue diretrizes rigorosas de manuseio e armazenamento, não permitindo que os terminais das baterias entrem em contato entre si ou com outros metais durante o empacotamento. Utiliza material de embalagem resistente para proteger os produtos de vibrações, impactos, quedas e empilhamento durante o transporte. A Panasonic também recomenda estritamente armazenar as baterias à temperatura ambiente e carregá‑las a cerca de 30‑50 % da capacidade.

Ela produz uma variedade de produtos de baterias de lítio, incluindo baterias cilíndricas, prismáticas, do tipo pouch e do tipo pino.

De acordo com seu relatório integrado mais recente disponível para o grupo, a empresa registrou uma receita de 8.378,9 bilhões de ienes em 2023. 

#2. LG Energy Solutions

A LG Energy Solutions é outra marca global líder que opera sob diretrizes bem definidas para a fabricação de seus pacotes de baterias Li‑ion. Proíbe o uso de células de bateria de íon‑lítio que tenham sofrido qualquer queda na fabricação dos pacotes.

Para prevenir curtos‑circuitos elétricos, as células de bateria de íon‑lítio devem ser mantidas afastadas de objetos metálicos e manipuladas em ambientes que evitem danos ou contaminação.

Além disso, a soldagem não deve ser realizada diretamente na superfície das células de bateria de íon‑lítio, e as células não devem ser expostas a calor intenso ou pressão durante o processo de soldagem.

Em 2023, a LG registrou um volume de vendas de 84,228 bilhões de KRW, o que representou um aumento incremental em relação aos 83,467 bilhões de KRW de 2022, mas um aumento significativo em relação aos 73,908 bilhões de KRW de 2021.

Preocupações de Segurança das Baterias de Íon‑Lítio: Uma Revisão Abrangente

Pesquisa que investigou extensivamente as preocupações de segurança das baterias Li‑ion apontou vários problemas potenciais que poderiam surgir como ameaça ou risco. 

Corridas térmicas, que estão entre os problemas de segurança mais graves nas baterias Li‑ion, surgem de reações secundárias. Essas reações podem ocorrer dentro do eletrólito, entre o cátodo e o ânodo, e nas interfaces das superfícies dos eletrodos e no depósito de lítio. Essas corridas térmicas são frequentemente desencadeadas por abusos mecânicos, térmicos ou elétricos.

Abusos mecânicos podem levar a problemas de segurança nas baterias Li‑ion, assim como abusos elétricos podem comprometer sua integridade. Da mesma forma, abusos térmicos, onde uma bateria sofre choque térmico ou atinge temperaturas excessivamente altas, também apresentam riscos significativos.

A pesquisa também descreve estratégias para melhorar a segurança, tanto interna quanto externamente. Um elemento crucial para aprimorar a segurança das baterias Li‑ion (LIB) é um sistema de refrigeração integrado bem projetado. Além disso, manter o equilíbrio adequado entre as células é essencial; isso envolve medir e comparar as tensões, capacidades ou estados de carga (SOCs) de todas as células após cada ciclo de carregamento.

Os fabricantes podem seguir diversas normas para garantir a segurança da produção. De fato, vários países já publicaram tais padrões, incluindo o Padrão Chinês, o padrão da Society of Automotive Engineers (SAE), o padrão da International Electrotechnical Commission (IEC), o padrão das Nações Unidas (UN), o Japanese Industrial Standard (JIS) e outros.

Em geral, vivemos em uma época dominada por dispositivos eletrônicos, levando a uma dependência cada vez maior de baterias de lítio. À medida que buscamos maior eficiência e velocidade em nossas tecnologias, devemos garantir que a segurança continue sendo prioridade. O recente incidente na Coreia do Sul serve como um lembrete contundente da importância desse equilíbrio, ressaltando a necessidade de prevenir tais incidentes infelizes no futuro.

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