ANÁLISE FORENSE PARA BATERIAS DE ÍON-LÍTIO

Transcrição

1 NEW SCIENCE ENERGIA STENTÁVEL ARTIGO ANÁLISE FORENSE PARA BATERIAS DE ÍON-LÍTIO SEGUNDO TRIMESTRE DE 2013 UL.COM/NEWSCIENCE-BRAZIL

2 NEW SCIENCE ENERGIA SUSTENTÁVEL PANORAMA O aumento dos custos, a eficiência energética e o impacto ambiental exigem inovações na geração, na distribuição, no gerenciamento e no uso da energia. A dedicada equipe de cientistas, engenheiros e pesquisadores da UL está desenvolvendo a New Science para tornar a energia mais limpa, confiável, eficiente e segura. ARTIGO ENERGIA SUSTENTÁVEL/ ANÁLISE FORENSE PARA BATERIAS DE ÍON-LÍTIO 2

3 POR QUE A ANÁLISE FORENSE É IMPORTANTANTE? A capacidade energética das baterias de íon-lítio aumentou substancialmente desde que foram introduzidas no mercado em 1991, tornando-as cada vez mais populares em uma grande variedade de aplicações. 1 Esse avanço também elevou o risco de segurança dessas baterias incluindo os de incêndio e explosões que, embora raros, podem ser perigosos. Várias falhas de baterias de íon-lítio resultaram em recolhimento de produtos e publicidade negativa. 2 Com suas técnicas de análise forense, a UL pode identificar e compreender melhor as causas raiz das falhas em baterias de íon-lítio, permitindo que os fabricantes dessas baterias lidem com seus problemas e aprimorem sua segurança. CONTEXTO O íon-lítio é a estrutura química de baterias que mais cresce hoje, com mais de quatro bilhões de células produzidas em O crescimento desse mercado é em grande parte impulsionado pelas vantagens das baterias de íon-lítio em relação a outras pilhas de tamanho similar. 4 As baterias de íon-lítio são mais leves, têm de duas a seis vezes mais densidade de energia, mantêm a carga por mais tempo e não têm o efeito de memória (ou seja, a obrigação de descarregar completamente a energia da bateria antes de recarregála). 5 Essas vantagens fazem das baterias de íon-lítio as baterias preferidas para uma ampla variedade de aplicações, dispositivos eletrônicos portáteis veículos elétricos, aeroespaciais e armazenamento de energia das redes de distribuição ou de geração distribuída. O íon-lítio é a estrutura química de baterias que mais cresce hoje, com mais de quatro bilhões de células produzidas em O desempenho das baterias de íon-lítio tem melhorado continuamente nas últimas duas décadas. Desde 1991, a densidade de energia volumétrica dessas baterias triplicou para ampliar seu tempo de execução. 6 Isso foi em grande parte conseguido devido ao enclausuramento de material mais ativo na célula e ao afinamento dos eletrodos e do separador. 7 A questão fundamental para as baterias de íon-lítio é que, ao contrário de outros tipos comuns de baterias, onde os eletrólitos consistem em soluções aquosas de ácido ou de base, o eletrólito nas células de íon-lítio tipicamente consiste em sais de lítio em solventes orgânicos inflamáveis, tais como o carbonato de etileno e carbonato de metil-etila. 8 A questão fundamental para as baterias de íon-lítio é que, ao contrário de outros tipos comuns de baterias, onde os eletrólitos consistem em soluções aquosas de ácido ou de base, o eletrólito nas células de íon-lítio tipicamente consiste em sais de lítio em solventes orgânicos inflamáveis, tais como o carbonato de etileno e carbonato de metiletila. 9 Todos esses fatores se combinam para criar uma taxa de falha de, aproximadamente, uma em cada 10 milhões de células de íon-lítio. 10 Embora essa taxa de falha seja relativamente baixa, as falhas resultaram em uma série de recolhimentos, incêndios e explosões de baterias amplamente divulgada. Com o crescimento no uso e na popularidade dessas baterias, é importante que a ciência da segurança avance na mesma proporção que as inovações que estão aumentando a capacidade de densidade e de armazenamento de energia das baterias de íon-lítio. ARTIGO ENERGIA SUSTENTÁVEL/ ANÁLISE FORENSE PARA BATERIAS DE ÍON-LÍTIO 3

4 O QUE FEZ A UL? Com base na vasta experiência em testes em nível de sistema, a UL introduziu um conjunto abrangente de ferramentas de análise forense e técnicas para identificar as causas e entender os mecanismos de falha dos problemas das baterias de íon-lítio. O objetivo da análise forense é ajudar os fabricantes de baterias de íon-lítio a lidar melhor com os riscos de segurança e de desempenho com base em um conhecimento mais claro sobre o que é responsável pelas falhas da bateria. A análise forense não é um procedimento ou um processo fixo; em vez disso, ela representa uma abordagem mais holística e fundamental que é adaptada a circunstâncias específicas. Enquanto a maioria das organizações de teste se concentra nos componentes ou nos materiais, a análise forense exclusiva da UL lida com o conjunto completo de características críticas para identificar o status da bateria. Especificamente, a análise forense analisa a composição da bateria (através de técnicas de análise de materiais), morfologia (com um microscópio eletrônico de varredura, um microscópio eletrônico de transmissão ou um microscópio de varredura por sonda) propriedades físicas e químicas fundamentais (via análise térmica, avaliação da eletroquímica, e análise de molécula de ligação e da estrutura cristalina). 11 Alguns exemplos destacam a necessidade de avaliar todas as características fundamentais da bateria: 12 A UL introduziu um conjunto abrangente de ferramentas de análise forense e técnicas para identificar as causas e entender os mecanismos de falha das baterias de íon-lítio. Composição: Após um sobreaquecimento ou um efeito colateral de uma reação química, a composição dos materiais ou dos componentes será alterada. Um exemplo típico é o inchaço em uma bateria de íon-lítio que pode às vezes ser observado após testes de abuso elétrico ou após a bateria ter sido utilizada por algum tempo. O inchaço geralmente resulta da decomposição de materiais do eletrólito, o que leva a um excesso de pressão no interior da célula. Morfologia: A estrutura de porosidade em um separador será destruída após o sobreaquecimento de uma bateria a níveis próximos aos de sua temperatura de desligamento. A inspeção da porosidade do separador em diferentes camadas e em localizações diferentes dentro de uma célula pode também permitir o desenvolvimento de um perfil de distribuição das condições de sobreaquecimento. Outro exemplo de mudança morfológica é a alteração da microestrutura do material ativo após o envelhecimento da bateria ou testes de abuso elétrico. Propriedades: A estrutura de ligação e a estrutura cristalina nos materiais ativos podem ser alteradas por sobrecarga ou sobredescarga. As propriedades térmicas de uma célula de íon-lítio também podem variar devido ao efeito de degradação do material causado pelo envelhecimento. ARTIGO ENERGIA SUSTENTÁVEL/ ANÁLISE FORENSE PARA BATERIAS DE ÍON-LÍTIO 4

5 Com nossa abordagem holística e nosso conjunto abrangente de técnicas analíticas, a UL pode avaliar baterias submetidas a diversas condições temperatura alta ou baixa, descarregamento alto ou baixo etc.13 Devido a isso, somos capazes de analisar o estado de uma bateria de íon-lítio devido à falha de campo, testes de abuso e envelhecimento condicionado normal. Nosso processo de análise forense básica inclui os seguintes passos: Analisar os documentos de informação da bateria e do histórico de manutenção da bateria disponível. 2. Desenvolver um plano de análise forense, identificando o objetivo principal de cada teste com base em premissas básicas. 3. Implementar a análise forense e rever os dados gerados para correlacionar e validar as pressuposições que foram feitas. 4. Fazer o diagrama do modo de falha (ou a árvore de falhas) com base nas informações extraídas dos resultados do teste. 5. Projetar um teste para simular a condição de abuso a fim de tentar duplicar o modo de falha (observado a partir de um evento de campo). Com a análise forense de falhas das baterias de íon-lítio, a UL pode analisar e gerar informações para ajudar a entender: Os mecanismos de modo de falha prováveis ou os possíveis caminhos diretos e indiretos Caminhos de propagação térmica O histórico de abuso de sobrecarga e de sobredescarga Evidência de abuso térmico Evidência de curtos-circuitos internos Defeitos no interior de uma célula individual e suas causas raiz prováveis. 15 IMPACTO UL is one of the leading safety testing organizations in the world for lithium-ion batteries, and that expertise has enabled our innovations in forensic analysis and other advanced methodologies. While lithium-ion battery failures may represent exceptions rather than systemic reliability issues, they could pose a threat to the broader use or adoption of this technology. By gaining insight into the true causes of lithium-ion battery failures, UL is advancing the standards and helping manufacturers proactively address key safety and performance issues. SUSTAINABLE ENERGY ARTICLE/FORENSIC ANALYSIS FOR LITHIUM-ION BATTERIES 5

6 FONTES 1 Savitz, E., Apple: What Lithium-Ion Battery Limits Could Mean for iphone 5, Forbes, 18 de julho de Web: 20 de julho de com/sites/ericsavitz/2012/07/18/apple-what-lithium-ion-battery-limitscould-meanfor-iphone-5/. 2 Jacoby, M., Assessing the Safety of Lithium-Ion Batteries, Chemical & Engineering News, Volume 91, 6ª edição, 11 de fevereiro de Web: 10 de julho de Batteries.html. 3 Ibid. 4 Ibid. 5 Oswal, M., et al., A Comparative Study of Lithium-Ion Batteries, University of Southern California, 7 de maio de Web: 29 de julho de Savitz, E., Apple: What Lithium-Ion Battery Limits Could Mean for iphone 5, Forbes, 18 de julho de Web: 20 de julho de com/sites/ericsavitz/2012/07/18/apple-what-lithium-ion-battery-limitscould-meanfor-iphone-5/. 7 Orendorff, C.J., The Role of Separators in Lithium-Ion Cell Safety, The Electrochemical Society Interface, segundo trimestre de Web: 29 de julho de sum12_p061_065.pdf. 8 Ibid. 9 Jacoby, M., Assessing the Safety of Lithium-Ion Batteries, Chemical & Engineering News, Volume 91, 6ª edição, 11 de fevereiro de Web: 10 de julho de Ibid. 11 Wu, A., Forensic Analysis for Lithium-ion Batteries, UL, Document informativo: 1 de julho de Ibid. 13 Ibid. 14 Ibid. 15 Ibid. ENERGIA SUSTENTÁVEL DA NEW SCIENCE REVISTA EDIÇÃO 1 APLICAÇÃO DA METODOLOGIA DE ANÁLISE DA ÁRVORE DE FALHAS NORMAS DE SEGURANÇA AVANÇADAS PARA BATERIAS TESTES ISC INDUZIDOS POR INDENTAÇÃO EFEITOS DO ENVELHECIMENTO DAS BATERIAS DE ÍON-LÍTIO REVISTA EDIÇÃO 2 MEDINDO A ENERGIA EÓLICA OFFSHORE SEGURANÇA DOS APARELHOS INTELIGENTES AVANÇOS NA REDE INTELIGENTE ARTIGOS PROMOVENDO A ADOÇÃO DE LÍQUIDOS REFRIGERANTES INFLAMÁVEIS NA AMÉRICA DO NORTE TESTE DE SUSCETIBILIDADE À DEGRADAÇÃO INDUZIDA POTENCIAL SUSTAINABLE ENERGY ARTICLE/FORENSIC ANALYSIS FOR LITHIUM-ION BATTERIES 6

7 NOVOS DESAFIOS. NOVOS RISCOS. SOLAR ENERGY Para saber mais, explore a New Science sobre qualidade do ar interior, segurança de operações, energia sustentável e segurança contra incêndios. Assista aos vídeos, leia as revistas, os artigos e os estudos de caso, percorra as galerias e conheça nossos especialistas. VISITE-NOS EM UL.COM/NEWSCIENCE-BRAZIL A Energia Sustentável da New Science não pode ser copiada, reproduzida, distribuída ou exibida sem a permissão expressa por escrito da UL. V.11. UL e o logotipo da UL são marcas comerciais da UL LLC 2013