As baterias de estado sólido são mais seguras?
À primeira vista, as baterias de estado sólido oferecem diversas vantagens em termos de segurança. Eliminam o eletrólito líquido inflamável e podem substituí-lo por um eletrólito sólido não inflamável. Além disso, geralmente têm uma gama de temperatura de funcionamento mais ampla, tornando a fuga térmica por sobreaquecimento das células potencialmente menos provável. O calor gerado por uma falha de aquecimento exterior também é frequentemente reduzido.
No entanto, isto não conta toda a história. O termo bateria de estado sólido refere-se, na realidade, a uma gama de tecnologias de baterias. Em alguns casos, a bateria ainda utiliza um componente líquido para a troca iónica (estado semi-sólido), o que significa que ainda existe um componente volátil. Alguns eletrólitos poliméricos de estado sólido não são completamente inflamáveis, e qualquer eletrólito pode derreter se o sistema aquecer o suficiente.
Em 2022, a empresa de transportes públicos de Paris retirou temporariamente de circulação 149 autocarros elétricos após dois incêndios distintos. Alega-se que as células utilizadas nestes incidentes empregavam baterias com cátodo de LFP, ânodo de lítio metálico e eletrólito de polímero sólido. O fornecedor descreve as suas baterias como "completamente sólidas, sem componentes líquidos e isentas de níquel e cobalto".
Outro exemplo vem de um estudo de investigação baseado em simulação, conduzido pelos Laboratórios Nacionais de Sandia em 2022 (Hewson et al., Joule, Vol. 6, Edição 4, 742–755) que comparou a segurança de uma bateria totalmente de estado sólido, uma bateria de estado sólido com eletrólito líquido adicionado no cátodo e uma bateria convencional de iões de lítio com eletrólito líquido. O estudo constatou que, em caso de falha devido ao aquecimento externo, uma bateria de estado sólido com uma pequena quantidade de eletrólito líquido gera menos calor do que uma bateria de iões de lítio típica, mas mais do que uma bateria totalmente de estado sólido. Em caso de curto-circuito, o calor libertado dependia apenas da capacidade da célula. Como as baterias de estado sólido podem ter uma maior densidade de energia, pode ser gerado mais calor. As temperaturas típicas de fuga térmica para baterias de iões de lítio padrão são de cerca de 1000–1200 °C. Em alguns cenários desta investigação, o aumento de temperatura das baterias de estado sólido atingiu quase 1800 °C.
O desenvolvimento de baterias de estado sólido está em curso, mas a conclusão é que podem ser mais seguras na maioria dos casos. Ainda assim, nenhum sistema de baterias será 100% seguro. Portanto, a gestão térmica e os materiais de proteção contra incêndios serão sempre necessários para fornecer esta camada final que retarda a propagação do fogo para além da bateria.
Soluções em materiais de proteção contra incêndios:
Os tipos de materiais de proteção contra incêndios utilizados para baterias de estado sólido serão em grande parte semelhantes aos utilizados para baterias de iões de lítio tradicionais; o formato da célula (cilíndrica, prismática, tipo bolsa) e o design geral da bateria terão um maior impacto na seleção do material. Atualmente, os materiais mais utilizados para a proteção passiva contra incêndios incluem lâminas de mica, mantas cerâmicas, espumas encapsulantes e revestimentos retardantes de chama, entre outros. Os aerogéis estão a ganhar quota de mercado e opções como revestimentos intumescentes e materiais de mudança de fase estão a receber um interesse crescente.
Muitos destes materiais teriam dificuldades em suportar temperaturas acima dos 1500 °C. Ainda assim, o objetivo final não é necessariamente impedir completamente a propagação do fogo, mas sim atrasá-la o mais possível. Para além do desempenho a altas temperaturas, estes materiais têm de satisfazer cada vez mais outros requisitos, como a conformabilidade das células, o desempenho de compactação e o custo. O mercado de veículos elétricos, em rápido crescimento e cada vez mais focado na segurança contra incêndios, apresentará diversas oportunidades para os materiais de proteção contra incêndios, oportunidades que não serão eliminadas pelas tecnologias alternativas de baterias, como as baterias de estado sólido.
Autor: Dr. James Edmondson, Analista de Tecnologia Principal da IDTechEx
