Fenómeno de expansão do módulo de bateria de lítio
As baterias de lítio são frequentemente descritas como “baterias de cadeira de baloiço”, o que significa que os iões de lítio migram para trás e para a frente entre os eléctrodos positivo e negativo, impulsionados por uma diferença de potencial, armazenando e libertando energia eléctrica.
No entanto, o processo de intercalação e desintercalação de Li+ nos materiais dos eléctrodos positivo e negativo provoca a expansão do volume do material ativo. Esta expansão pode ser reversível ou irreversível, e a expansão irreversível acumula-se com o número de ciclos de carga e descarga nas baterias de iões de lítio.
A expansão das células da bateria é causada principalmente por três factores: expansão eletroquímica, expansão por gaseificação e efeitos da temperatura.
As folhas de epóxi são frequentemente utilizadas como material de amortecimento entre baterias de chumbo-ácido em veículos eléctricos de duas rodas. No entanto, as folhas de epóxi são frágeis e não têm resistência, o que as torna incapazes de absorver a força de expansão das células. Por conseguinte, não são adequadas como material tampão para baterias de iões de lítio, apesar do seu preço muito baixo.
Em comparação com os ânodos de carbono, as baterias de iões de lítio com ânodos de silício têm uma densidade de energia significativamente mais elevada, oferecendo uma forma eficaz de aumentar ainda mais a densidade de energia das baterias. No entanto, a sua significativa taxa de expansão (a espessura aumenta 15%-30% após 100 ciclos) tem dificultado a sua aplicação prática.
Principais tipos de materiais de amortecimento
Uma vez que a expansão celular é um fenómeno inerente durante o ciclo de vida da bateria, minimizar os seus efeitos negativos é crucial para prolongar a vida útil da bateria.
Se a expansão celular irreversível não for atenuada de forma eficaz, acelerará ainda mais a degradação do tempo de vida da célula.
Os seguintes padrões aplicam-se à expansão de células de iões de lítio:
1) Distribuição espacial: A força de expansão no centro é maior do que nas extremidades.
2) Capacidade: Quanto maior for a capacidade da célula, maior será a taxa de expansão (as células de armazenamento de energia tendem a ter grandes capacidades).
3) Tipo de célula: As células ternárias têm uma maior taxa de expansão do que as células de fosfato de ferro-lítio (as células NCM811 podem expandir-se 6-8%, enquanto as células LFP apenas se expandem 3-5%).
De facto, quanto maior for a densidade energética da bateria, maior será a taxa de expansão
4) Número de ciclos: À medida que o número de ciclos de carga e descarga aumenta, a expansão irreversível acumula-se e a célula expande-se ainda mais.
Por conseguinte, os materiais de amortecimento são essenciais para o módulo. As suas principais funções incluem distribuição da pressão, compensação da deslocação e isolamento térmico e retardador de chama.
Espuma de silicone
A densidade da base de espuma de silicone é de 1,17 g/cm³. Após a formação de espuma, a densidade é de aproximadamente 0,16-0,20 g/cm³. O seu retardamento de chama vertical pode atingir UL94-V0 e tem baixa compressão. A espuma de silicone é particularmente recomendada como material de amortecimento para módulos de baterias de armazenamento de energia de maiores dimensões (que sofrem maiores forças de expansão).
Espuma EVA
A espuma EVA é, de facto, bastante comum na vida quotidiana - é utilizada nas solas dos chinelos. Quem já teve estes chinelos pode já conhecer as suas desvantagens: os calcanhares podem ficar permanentemente achatados após uma utilização prolongada, o que também indica que o EVA tem uma elevada taxa de compressão.
O EVA é pouco dispendioso e é utilizado principalmente entre módulos prismáticos de células de bateria.
Espuma CR
A espuma CR, abreviatura de espuma de borracha de cloropreno, é certificada como retardadora de chama UL94V-0 e está em conformidade com a RoHS.
Caraterísticas: Baixa densidade, leveza, baixa dureza, alta compressão, excelente isolamento térmico e retardamento de chama, excelente resiliência e uma longa vida útil.
PU
O PU refere-se a um copolímero de poliureia/poliuretano modificado, caracterizado por numerosos microporos e paredes de resina de poliuretano. O PU tem uma resiliência à compressão ligeiramente fraca e é utilizado principalmente entre módulos de baterias soft-pack.
Caraterísticas: Porosidade, baixa densidade e alta resistência específica. Apresenta elevada permeabilidade ao rebote e ao ar, baixa perda por histerese, elevada relação compressão/carga e excelente resistência à chama, bem como resistência ao envelhecimento por calor, envelhecimento por humidade e fadiga dinâmica.
PPM
O MPP é um material de espuma porosa fabricado através da criação de um grande número de bolhas de tamanho micrónico no polipropileno (PP), utilizando tecnologia limpa de dióxido de carbono supercrítico. O MPP está em conformidade com os requisitos RoHS e REACH e é amplamente utilizado no sector das novas energias.
Caraterísticas: Leve, de alta resistência, eficiente absorção de energia de impacto, excelente retardamento de chama e resistência ao calor.
Aerogel
Os materiais elásticos acima referidos absorvem principalmente a força de expansão das células da bateria. O aerogel é outro material comummente utilizado entre as células da bateria. A sua principal função é o isolamento térmico e o retardamento da chama, mas o aerogel também apresenta excelentes propriedades de compressão, proporcionando um certo efeito de amortecimento.
Por exemplo, num módulo 1P13S, sob uma carga de cerca de 200 kgf, uma camada de aerogel com 2,0 mm de espessura comprime-se até cerca de 1,5 mm.
A folha de isolamento de aerogel é um material de isolamento composto feito de aerogel de sílica e uma matriz de fibra cerâmica. Apresenta baixa densidade, elevada porosidade, resistência a altas temperaturas e baixa condutividade térmica, impedindo eficazmente a transferência de calor entre as células da bateria durante a fuga térmica.
Resumir
| Abreviatura do material | Nome do material | Aplicação |
|---|---|---|
| EVA | Copolímero de etileno-acetato de vinilo | Utilizado entre células prismáticas de baterias, de baixo custo. |
| PU | Poliuretano | Normalmente utilizado entre células de baterias de bolsas. |
| / | Espuma de silicone | Utilizado entre células de bateria prismáticas, com boa resistência ao envelhecimento e resiliência à compressão. |
| CR | Espuma de borracha neoprene | Boa resistência à compressão, utilizada para a impermeabilização e o isolamento do isolamento. |
| PPM | Polipropileno | Utilizado entre células prismáticas de baterias, de baixo custo. |
