Calorímetros para investigação de propagação térmica em baterias de iões de lítio

Calorímetros para investigação de propagação térmica em baterias de iões de lítio

O Dr. Carlos Ziebert, chefe doCentro de Calorímetros do IAM-AWP, KIT, explicacomo os calorímetros podem ser aplicados para melhorar os materiais de mitigação da propagação térmica em baterias de iões de lítio

Criado em 2011, o Centro Calorímetro do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) Institute for Applied Materials - Applied Materials Physics, opera o maior laboratório de calorímetro de bateria da Europa. Seis Calorímetros de Taxa Acelerada (ARCs, Thermal Hazard Technology) de diferentes tamanhos utilizados em combinação com cicladores permitem a avaliação de dados termodinâmicos, térmicos e de segurança para células de iões de lítio no material, célula e nível de embalagem, tanto para condições normais como de abuso (térmico, eléctrico e mecânico). As células de iões de lítio têm as vantagens de alta densidade energética, capacidade de carga/descarga rápida, nenhum efeito de memória e baixa auto-descarga, o que as torna a fonte de energia mais adequada para dispositivos electrónicos portáteis e para a electrificação do transporte, o que tem um impacto cada vez maior na nossa vida quotidiana no século XXI.

Propagação térmica

É evidente que as questões de segurança têm uma grande influência na vontade dos consumidores de adoptar baterias de iões de lítio, porque um aumento incontrolável da temperatura de todo o sistema (a chamada fuga térmica) pode causar uma ignição ou mesmo a explosão da bateria com libertação simultânea de gases tóxicos. Se não for possível impedir uma única célula de entrar na fuga térmica, o último passo é impedir a propagação da fuga térmica de uma célula para as células vizinhas, a chamada propagação térmica ou pelo menos prolongar o tempo até à propagação térmica para 5-10 min. Isto deve dar aos passageiros num veículo eléctrico tempo suficiente para escaparem ou serem resgatados pelos bombeiros. Os ARC de grande escala são bem adequados para estudar a propagação térmica

Configuração da qualificação de materiais para a atenuação da propagação térmica

Recentemente no Centro Calorimétrico foi desenvolvida uma instalação que permite desenvolver e qualificar contramedidas adequadas, tais como o calor escudos. Esta configuração consiste numa caixa metálica, que imita uma caixa de bateria e é colocada na câmara do calorímetro. Quatro células de bolsa são instaladas na caixa e equipadas com termopares que são ligados ao software ARC. Um tapete aquecedor é ligado à célula 2 e o material do escudo térmico a ser testado é instalado entre as células 3 e 4 e abaixo da tampa (s. Fig. 1). Com a ajuda do tapete aquecedor, a célula 2 é agora aquecida para iniciar a sua fuga térmica. Fig. 2 mostra claramente que a fuga térmica está a propagar-se instantaneamente à célula 1 e à célula 3. No entanto, o material de protecção melhorado DEFENSOR MULTIFLEX® do Grupo HKO, que foi testado neste exemplo, é capaz de atrasar a propagação térmica à célula 4 por 9 minutos. Além disso, a temperatura no topo da tampa, a chamada temperatura do lado frio, manteve-se abaixo dos 80 °C durante todo o teste, enquanto que temperaturas de até 850 °C foram atingidas dentro da caixa da bateria.

Fig.1 Configuração para o teste de propagação térmica

Fig.2 Qualificação do material para extensão do tempo de propagação térmica

Actualmente está a ser desenvolvido um regulamento técnico global (GTR) sobre segurança de veículos eléctricos por todos os intervenientes relevantes, que inclui a propagação térmica. Assim, ainda há muita discussão e investigação em curso para decidir, qual é o melhor método de inicialização, que poderia tornar-se uma norma. Esperamos que a investigação no Centro Calorimeter ajude a fazer progressos neste campo.

Autor: Governo de Acesso Aberto

Este artigo é publicado sob a licença Creative Commons CC-BY.