A tecnologia de iões de lítio oferece um desempenho ideal para fornecer energia de reserva de alta potência num formato compacto e leve. No entanto, à medida que a indústria das baterias de iões de lítio amadureceu, ocorreram incidentes de segurança significativos. Exemplos incluem um incêndio num sistema de armazenamento de energia nas instalações da Arizona Public Service em 2019 e a fuga do apresentador do Top Gear, Richard Hammond, de um carro em chamas.
O que estes incidentes têm em comum é a fuga térmica, onde um curto-circuito dentro de uma célula cria altas temperaturas. Este incidente propaga-se a outras células, fazendo com que estas se rompam e libertem gases quentes e inflamáveis.
A segurança depende da prevenção da fuga térmica. Selecionar uma química de iões de lítio intrinsecamente segura é crucial. No entanto, é igualmente importante não descurar a importância de um projeto sólido e de uma construção mecânica, elétrica e eletrónica eficiente. Estes componentes gerem o desempenho da bateria e devem dissipar o calor.
Família de iões de lítio
A complexidade das baterias de iões de lítio reside no facto de não se tratar de um único tipo de bateria. Ião-lítio é um termo genérico que engloba toda uma família de composições químicas. Cada uma destas composições tem o seu próprio perfil de desempenho, com vantagens e desvantagens relativas em termos de vida útil, densidade de potência, densidade de energia, desempenho a altas e baixas temperaturas e segurança.
Estes produtos químicos podem ser utilizados individuais ou misturados para obter um equilíbrio de propriedades adequado a uma determinada aplicação.
O maior ramo da família das baterias de iões de lítio compreende os óxidos metálicos, e os outros dois ramos em uso são os fosfatos de ferro e os titanatos. Os titanatos têm uma aplicação relativamente específica e são atualmente utilizados em veículos de tração ferroviária e de todo-o-terreno de alto desempenho.
Óxidos metálicos versus fosfatos
Os óxidos metálicos, como o óxido de lítio-níquel-cobalto-alumínio (NCA) e o óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto (NMC), apresentam uma densidade energética particularmente elevada. Isto torna-os adequados para baterias compactas de alta potência, como as utilizadas em veículos elétricos, onde as pessoas podem precisar de fugir. Na Saft, utilizamos o NCA para a exploração espacial e baterias de satélites devido à sua maior densidade energética.
A principal desvantagem dos óxidos metálicos em termos de segurança é a presença de oxigénio. Este oxigénio pode ser libertado em caso de curto-circuito interno, provocando inundações térmicas, uma vez que as temperaturas podem atingir os 800-1000 °C. A libertação de oxigénio da mistura de óxidos metálicos torna praticamente impossível o funcionamento eficaz de um sistema de supressão de incêndios à base de azoto ou fluorocetonas.
Mesmo com um bom design, o potencial térmico de propagação torna os óxidos metálicos inadequados para locais críticos de segurança, como centros de dados.
Quando a segurança é crucial, é essencial reduzir o risco especificando a composição química do fosfato, como o fosfato de ferro-lítio (LFP) ou uma mistura de superfosfato de ferro-lítio (SLFP). Estes materiais não contêm oxigénio e, por isso, a temperatura nunca ultrapassa os 250 °C, impedindo a rutura térmica no interior da célula e tornando a propagação para outras células praticamente impossível.
Num ambiente de centro de dados, um sistema baseado na tecnologia de fosfato de ferro terá uma vida útil de aproximadamente 20 anos.
Mesmo em ambientes com temperaturas ambiente até 35°C, espera-se que a bateria dure 14 anos. A desvantagem é que a sua densidade de energia é 30% inferior à das baterias de óxido metálico, e a tensão da célula é mais baixa.
Segurança do edifício
Outro aspeto a considerar na seleção de baterias é se uma determinada tecnologia cumpre as normas do edifício.
Normas como a IFC 2018 e a NFPA 855 controlam os riscos potenciais exigindo um conteúdo energético limitado nas baterias de iões de lítio de 20 kWh por sistema, ou 600 kWh por instalação, e que existe um espaço de ar de 1 metro (3 pés) a separar cada sistema.
No entanto, os operadores podem exigir sistemas maiores e mais potentes, razão pela qual são realizados testes rigorosos, de acordo com o método de teste UL 9540A, para avaliar a resistência às inundações térmicas. Isto inclui um conjunto exigente de testes que avaliam os sistemas de baterias e a sua capacidade de suportar falhas em células individuais, módulos e armários, bem como em instalações completas.
Está demonstrado que os sistemas de baterias à base de óxido metálico passam nos testes UL 9540A, apesar da fuga térmica entre células e módulos. Houve mesmo casos, durante estes testes, em que o módulo da bateria e alguns pequenos componentes internos da célula foram ejetados durante a fuga térmica.
Um ponto adicional é que uma das recomendações do Serviço Público do Arizona para o combate ao incêndio foi que os sistemas de extração de ar devem ser capazes de lidar com o volume e a temperatura do gás gerado durante um incidente. Os sistemas à base de fosfato produzem significativamente menos gás a temperaturas mais baixas do que os sistemas de óxido, tornando-os mais práticos como sistemas de reserva.
Projeto do sistema de baterias
A segurança das baterias depende também do design mecânico e do fabrico das células, bem como dos invólucros de proteção e dos conectores elétricos. O formato e o design da célula podem ter um impacto significativo na densidade de energia, na densidade de potência, na vida útil e na segurança.
Num sistema de baterias, as células são combinadas em módulos e strings com um sistema electrónico de gestão de baterias (BMS ). A sua função é fornecer proteção e comunicação com um controlador UPS, bem como dentro do próprio sistema de baterias.
Uma função importante do BMS é monitorizar o perfil de tensão e temperatura em toda a bateria, nos níveis de célula individual, módulo e string. O BMS gere então o carregamento e a descarga das células para manter uma temperatura uniforme em todo o sistema.
O BMS controla os riscos de segurança ao prevenir temperaturas excessivas, mas também oferece o benefício adicional de prolongar a vida útil da bateria. A temperatura afeta a vida útil das células, pelo que garantir uma temperatura uniforme significa que todas as baterias envelhecem à mesma velocidade e proporcionam um desempenho previsível.
No caso de baterias de grande escala com conjuntos de baterias alojados em vários armários, ummestre de gestão de baterias(MBMM) irá monitorizar o desempenho de todos os conjuntos.
Priorização de servidores
Outro ponto importante em relação à gestão de baterias é que a utilização de uma bateria dedicada a serviços de data center é diferente da utilização de uma bateria para um sistema de armazenamento de energia (ESS).
As baterias dos sistemas de armazenamento de energia (ESS) são concebidas como ativos valiosos para a geração de rendimentos e, como tal, o seu módulo de gestão de baterias (BMM) contém uma caixa de segurança que impede descargas excessivas para não danificar as baterias.
Em contrapartida, a função de uma bateria de UPS é evitar os custos decorrentes de interrupções de energia. O inquérito global de 2020 do Uptime Institute aos gestores de centros de dados e de TI revelou que quatro em cada dez interrupções custam entre 100.000 e um milhão de dólares, e aproximadamente uma em cada seis custa mais de 1 milhão de dólares.
O impacto pode ser ainda maior se forem tidos em conta os custos indiretos e os danos na reputação.
Para centros de dados de missão crítica, os operadores necessitam de um sistema de baterias que possa ser totalmente descarregado, suportando cada segundo possível de tempo de funcionamento do servidor, mesmo que isso signifique sacrificar a bateria.
Em última análise, um sistema de baterias de iões de lítio deve garantir que não há comprometimento em termos de segurança e desempenho de reserva.
Autor: Gareth Hackett, especialista em tecnologia de iões de lítio da Saft, explica como compreender a segurança e o desempenho das baterias de iões de lítio.
