Segurança das baterias: o que acontece quando aquecem

Imagina um contentor BESS instalado numa zona industrial, junto a um armazém onde trabalham diariamente dezenas de pessoas. No seu interior, há centenas de células que armazenam energia. Em condições normais, tudo corre bem. Mas o que acontece se uma célula começar a aquecer mais do que o normal? É aqui que a segurança das baterias deixa de ser um tema abstrato e torna-se uma responsabilidade concreta para quem concebe, instala e gere as instalações.

Neste artigo, respondemos a uma pergunta simples, mas crucial: até que ponto uma bateria é segura e o que a torna segura? A resposta, em resumo, é que a segurança decorre, em primeiro lugar, da química e, só depois, da eletrónica.

O «thermal runaway» explicado de forma simples

O descontrolo térmico — em italiano, “fuga térmica” — é a reação em cadeia que todos querem evitar numa bateria. Funciona assim: uma célula sobreaquece; além de um determinado limiar, as reações químicas internas aceleram por si próprias, o calor aumenta ainda mais e o processo alimenta-se a si próprio, sem parar.

Pense numa panela no fogão que, uma vez ultrapassado um certo ponto, continua a aquecer mesmo que se desligue o lume. Na pior das hipóteses, a célula liberta gás, incendeia-se e pode arrastar consigo as células vizinhas. As causas mais comuns são um defeito interno, um dano mecânico, um carregamento incorreto ou uma temperatura ambiente demasiado elevada.

A questão fundamental é esta: nem todas as substâncias químicas reagem da mesma forma. Algumas começam a “evaporar-se” a temperaturas relativamente baixas, outras permanecem estáveis durante muito mais tempo.

Por que razão algumas substâncias químicas são mais estáveis do que outras

O cerne da questão reside no cátodo, ou seja, num dos materiais ativos da célula. Durante a fuga térmica, alguns cátodos libertam oxigénio: é como deitar gasolina no fogo, porque o oxigénio alimenta a combustão a partir do interior. Outros cátodos, com estruturas químicas mais sólidas, tendem a reter o oxigénio e a não alimentar a reação.

As chamadas substâncias químicas polianiónicas — uma família à qual pertencem também muitas células de iões de sódio — têm uma estrutura cristalina na qual os átomos de oxigénio estão firmemente ligados. Isto traduz-se, em geral, numa menor propensão à libertação de oxigénio e a uma temperatura de ignição mais elevada. Isto não significa “risco zero”, mas sim uma margem de segurança mais ampla.

As temperaturas exatas de ignição e os dados comparativos entre famílias químicas variam muito consoante a construção da célula e devem ser sempre verificados nos relatórios do fabricante [A VERIFICAR: temperaturas de ignição e dados de estabilidade térmica para o cátodo].

Os três fatores que determinam a segurança das baterias

Ao avaliar a segurança de um sistema de armazenamento, há três parâmetros que se destacam dos restantes:

• Temperatura de ignição: o limiar a partir do qual se inicia a fuga térmica. Quanto mais elevado for, maior será a margem antes de se verificar um problema.
• Liberação de oxigénio pelo cátodo: a medida em que a química alimenta a combustão por si própria. Quanto menos oxigénio for libertado, menos intensa é a reação.
• Propagação entre células: a capacidade de uma célula “em fuga” contagiar as células vizinhas. Um bom projeto do conjunto de baterias isola o problema, em vez de o deixar alastrar.

Estes três fatores, em conjunto, dizem muito mais do que um único valor indicado na ficha técnica. Uma célula com uma temperatura de ignição elevada e baixa libertação de oxigénio parte já com uma vantagem estrutural.

Porque é que a segurança é tão importante quando se está perto das pessoas?

La segurança BESS não tem o mesmo peso em todos os contextos. Uma coisa é uma instalação isolada num campo aberto, outra é um sistema de armazenamento instalado num local onde há pessoas, bens e atividades.

Pense nestes cenários:

• Instalações residenciais, muitas vezes em garagens, caves ou salas técnicas, a poucos metros das áreas habitadas.
• Acumulações em armazéns e atividades produtivas, onde o risco se soma ao risco industrial.
• Contentor BESS em zonas industriais, com dezenas ou centenas de kWh concentrados num espaço reduzido.

Em todos estes casos, reduzir o risco na fase inicial — optando por uma composição química mais estável — significa proteger não só o investimento, mas também quem vive e trabalha nas proximidades da instalação. É por isso que, para um projetista ou um responsável pela segurança, a escolha da composição química é uma decisão estratégica, e não um pormenor.

O papel da BMS, conceção do conjunto de baterias e certificações

A química é a primeira linha de defesa, mas não atua sozinha. À volta da célula existem outros níveis de proteção.

O BMS (Sistema de Gestão da Bateria) é o sistema eletrónico que monitoriza constantemente a tensão, a corrente e a temperatura de cada célula. Intervém antes de se ultrapassarem os limites críticos, equilibrando a carga e desligando o sistema em caso de anomalia. É o “sistema nervoso” da bateria.

La concepção do pacote É tão importante quanto o BMS: os espaçamentos, os materiais isolantes, os sistemas de dissipação de calor e as barreiras entre as células servem precisamente para conter um eventual problema, impedindo a sua propagação.

Por fim, há as certificações de armazenamento, que atestam a superação de ensaios normalizados. Entre as mais relevantes para este setor encontram-se a IEC 62619 e a UL 9540A, sendo esta última específica para os ensaios de propagação da fuga térmica [A VERIFICAR: aplicabilidade e versões atualizadas das normas]. Solicitar os relatórios dos teste de abuso térmico e de propagação É uma boa prática a seguir antes de qualquer compra.

Porque é que as empresas químicas estáveis partem com vantagem

Juntando as peças, a mensagem é clara: podes adicionar toda a eletrónica que quiseres, mas se a química de base for mais estável, partes com uma vantagem inicial. As células polianiónicas e de iões de sódio tendem a oferecer uma maior estabilidade térmica precisamente porque a sua estrutura é menos propensa a libertar oxigénio e a desencadear reações a baixas temperaturas.

Para aprofundar os aspetos técnicos da estabilidade térmica dos materiais catódicos, pode consultar os estudos publicados no ScienceDirect: primeiro estudo e segundo estudo.

É claro que a segurança é apenas uma parte do quadro. Como é que estas mesmas células se comportam sob esforço de potência ou com frio intenso? Veremos isso numa próxima análise aprofundada dedicada ao desempenho em condições extremas.

Em resumo

Uma bateria nunca apresenta “risco zero”, mas há opções que aumentam significativamente a sua margem de segurança. Avaliar a temperatura de ignição, o comportamento do cátodo e a resistência à propagação, juntamente com um BMS robusto e certificações fiáveis, permite-lhe instalar sistemas de armazenamento de energia fiáveis, mesmo perto de pessoas.

Quer projetar sistemas de armazenamento mais seguros? Descubra os critérios de segurança a ter em conta antes de escolher uma bateria.