Da ESS News
A transição global para sistemas de energia sustentáveis exige tecnologias de armazenamento de energia em baterias que ofereçam alto desempenho e segurança robusta. Embora as baterias de íon-lítio (LIBs) dominem atualmente o mercado, suas limitações de segurança – particularmente a fuga térmica causada por eletrólitos líquidos inflamáveis – continuam sendo uma preocupação.
Pesquisadores da Universidade de Newcastle, no Reino Unido, em colaboração com a Academia de Bombeiros da Polônia, realizaram uma comparação abrangente de três tecnologias principais: baterias convencionais de íon-lítio, baterias emergentes de íon-sódio (SIB) e baterias de estado sólido (SSB). Eles argumentam que, embora a resistência à fuga térmica seja importante, comparações significativas entre diferentes químicas exigem uma estrutura de segurança holística e com múltiplos atributos, adaptada a diferentes cenários de implantação.
A avaliação considera a resistência à iniciação, a tolerância a abusos, a gravidade das falhas (incluindo temperatura máxima, liberação de calor e taxa de aquecimento), os riscos dos gases (volume, inflamabilidade, toxicidade), o risco de propagação e as restrições específicas da aplicação, como a diferença entre o transporte marítimo confinado e os sistemas de armazenamento em rede equipados com supressão ativa de incêndio.
A equipe estabeleceu uma linha de base de segurança detalhada para baterias de íon-lítio, examinando os mecanismos de falha sob condições de abuso térmico, elétrico e mecânico. Isso incluiu a análise da progressão da fuga térmica, perfis de evolução de gases e dinâmica de propagação de célula para célula.
Eles observam que a composição química do cátodo determina em grande parte a severidade dos eventos térmicos, controlando a densidade de energia e o potencial de oxidação. Óxidos em camadas de alta energia, como o LiCoO₂, e as composições químicas NMC ricas em níquel proporcionam alta capacidade para veículos elétricos, mas tornam-se estruturalmente instáveis quando altamente carregados, liberando oxigênio reativo que acelera as reações exotérmicas com os solventes do eletrólito. A estabilidade térmica diminui com o aumento do teor de níquel: o NMC-811 começa a se decompor em torno de 215 °C, em comparação com aproximadamente 275 °C para o NMC-111.
Em contraste, o fosfato de ferro-lítio (LFP) apresenta uma estrutura de olivina robusta que resiste à liberação de oxigênio mesmo acima de 300 °C, tornando-o menos propenso a reações violentas. No entanto, oferece menor voltagem e densidade de energia. Os pesquisadores alertam que ambas as composições químicas apresentam riscos distintos, incluindo a produção de gases inflamáveis ou explosivos em condições extremas, o que significa que o LFP não pode ser simplesmente descrito como “mais seguro” do que o NMC.
As baterias de íon-sódio apresentam vantagens de segurança notáveis, incluindo temperaturas mais altas de início de fuga térmica (220–260 °C versus 170–220 °C para LIBs baseadas em NMC), taxas de liberação de calor mais baixas, teor reduzido de hidrogênio nos gases de escape (cerca de 30% em comparação com 42% para LFP) e a capacidade de serem transportadas com zero volts, o que reduz significativamente os riscos logísticos.
As baterias de estado sólido, particularmente as variantes à base de óxido, representam uma mudança mais fundamental ao eliminar os eletrólitos líquidos inflamáveis. Esses sistemas demonstram estabilidade térmica excepcional (T2 acima de 600 °C), mínima liberação de gases (menos de 0,5 L/Ah) e taxas de propagação significativamente mais lentas em comparação com as células NMC de alto teor de níquel (0,3–0,9 °C/min vs. 9–11 °C/min para NMCs de alto teor de níquel).
No entanto, os pesquisadores enfatizam que as classificações de segurança dependem muito do contexto de aplicação. A estabilidade térmica superior do LFP pode ser anulada por altas concentrações de fluoreto de hidrogênio (HF) em cenários de falha (3000–8000 ppm), enquanto as baterias de estado sólido à base de sulfeto podem apresentar riscos de sulfeto de hidrogênio (H₂S) se expostas à umidade.
Em seu artigo intitulado “Análise Comparativa de Segurança das Tecnologias de Baterias Atuais e de Próxima Geração”, publicado no Journal of Power Sources, os autores concluem que “a jornada rumo a um armazenamento de energia mais seguro é uma evolução contínua, não um destino final”.
Embora as arquiteturas de estado sólido prometam ganhos intrínsecos de segurança a longo prazo, os pesquisadores sugerem que a tecnologia de íons de sódio oferece uma melhoria prática a curto prazo. O aprimoramento contínuo dos sistemas de íons de lítio, por sua vez, será essencial para garantir a segurança da vasta frota instalada e futura. Em última análise, argumentam eles, um futuro movido a baterias dependerá de um portfólio diversificado de tecnologias, cada uma selecionada por seu equilíbrio específico de desempenho, custo e — o mais importante — um perfil de segurança rigorosamente validado.
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