A melhor solução para tornar mais seguras as baterias pode ser o cara mais chato

Mudança vem lentamente

Às vezes baterias explodir. A filmagem é assustador, mas cientistas e startups têm tempo trabalhado para construir uma bateria mais segura. Estão mexendo com o design e teste de novos materiais na esperança de resolver o problema de uma vez por todas. Mas cada abordagem parece vir com um bom partido, e a solução mais prática, por enquanto, pode ser o cara mais chato.

Melhorar as baterias leva três tachas principais: evitando líquidos inflamáveis para uma bateria sólida; fabrico de componentes de bateria à prova de fogo; e, aborrecidamente, modificar ligeiramente o existente apresenta-se em uma bateria. Pode ser que mudança, pelo menos para as baterias, vem lentamente.

Para entender como os pesquisadores estão tentando resolver o problema, é importante saber o básico de como funcionam as baterias, e porque eles quebram. Para ser claro, estamos falando baterias de íon-lítio, que são o tipo mais comum de bateria porque o lítio possui tanta energia. Os cientistas também estão desenvolvendo pilhas de magnésio (eles são lentos) e baterias de enxofre (não duram muito tempo), mas Li-Ion ainda é rei por agora.

A bateria de lítio-íon é constituída de dois eletrodos ou condutores elétricos, em lados opostos. Íons de lítio mover de um lado para o outro, ajudados por produtos químicos inflamáveis no meio chamados eletrólitos.

Existem algumas baterias diferentes razões explodiu em chamas. Mais comumente, demasiado calor ou projeto de bateria ruim faz os eletrólitos reagir de uma maneira que cria calor, e em seguida uma retroalimentação positiva descontrolada chamado “runaway térmico” que conduz ao fogo. Fabricantes de bateria também colocar separadores entre os dois lados da bateria para mantê-los de tocar. Se os separadores de mau funcionamento, que é o que aconteceu no caso da Samsung, energia é redirecionada para os eletrólitos e que, também, leva ao fogo.

Então, como podemos consertar isso?

Uma solução muito-hyped é baterias de estado sólidas. A ideia é simples: em vez de usar eletrólitos líquidos inflamáveis, fazer eletrólitos de materiais sólidos; uma bateria sólida é menos provável que pegam fogo. Mas é mais difícil para íons para mover através de sólidos do que através de líquidos, o que significa que as baterias de estado sólidas são difíceis de engenheiro e caro e podem ter problemas de desempenho.

Existem três principais abordagens para fazer baterias de estado sólidas. Você pode fazer o eletrólito de cerâmica, vidro ou polímeros, explica Michael Zimmerman, um cientista de materiais na Universidade de Tufts e fundador da empresa bateria Solid-State materiais iônicos.

Cerâmica e óculos tendem a ser frágeis, o que os torna fraturar facilmente uma vez que você aplicar pressão. (Esta desvantagem será intuitiva para todos os que já quebrou a louça.) Cerâmica e vidro são também mais difíceis de produzir em grandes quantidades, diz Zimmerman, que os torna impraticável porque precisamos de um monte de baterias. Além disso, o processo de fabricação-los às vezes emite gases tóxicos.

Então existem polímeros. Alguns polímeros podem conduzir íons, mas que geralmente só funciona em temperaturas extremamente altas. A equipe de Zimmerman desenvolveu um polímero que pode conduzir íons à temperatura ambiente, mas também é resistente ao fogo. Em um vídeo, eles demonstram como isso pode ser cortado em pedaços sem pegando fogo.

Agora, materiais iônicos está trabalhando com fabricantes de bateria, o que seria necessário para alterar a maneira como eles constroem sua bateria para acomodar o novo polímero. Com sorte, diz Zimmerman, haverá células disponíveis nos próximos dois ou três anos.

Dois ou três anos não me parece muito longe, mas é também um velho refrão. “É sido prometido que baterias de estado sólidas que vai chegar ao mercado nos próximos dois a três anos nos últimos quatro ou cinco anos, e os investidores estão crescendo cada vez mais impacientes com o progresso do estado sólido,” diz Ian McClenny, analista da Navigant Pesquisa que especializa-se na pesquisa de bateria.

Quase todos os fabricantes do veículo eléctrico que McClenny tem falado para dizer que eles tiveram avanços em tecnologia de estado sólida. (Por exemplo, designer automotivo Henrik Fisker recentemente fez essa mesma afirmação.) Mas McClenny acha que quase todas as baterias de estado sólidas estão muito longe de comercialização. “Não acho Solid-State é realmente vai ser uma opção até o início ou ‘ 20, porque a vida útil das células ainda não está lá,” ele diz. O “pão” que impulsiona a inovação de bateria é veículos eléctricos e, agora, a maioria das baterias de estado sólidas provavelmente dura por um ano e meio. Isso pode ser aceitável para um telefone, mas é dificilmente viável para um caro carro elétrico.

Outra tática na busca para a bateria mais segura é tornar os eletrólitos se à prova de fogo, embora ainda líquido. Surya Moganty é diretor de tecnologia da NOHMs Technologies. Estão desenvolvendo eletrólitos fora “sólidos iônicos”, um material que é semelhante ao sal, mas é líquido à temperatura ambiente.

Este material de construção para o eletrólito torna resistente ao fogo, mas, novamente, pode haver problemas com a vida da bateria. NOHMs é melhorar as formulações, para que as pilhas com a tecnologia deles podem durar até 500 ciclos e também trabalhando com fabricantes de licenciar a tecnologia. Um problema semelhante assombra os pesquisadores que, no ano passado, criou uma bateria à base de água. Esta bateria é segura. Ao contrário de outras, menos potentes baterias à base de água, pode alcangar quatro volts, que é a mesma voltagem que eletrólitos orgânicos. Mas só funcionou por cerca de 70 ciclos e, como observa Moganty, empresas de bateria querem baterias que duram pelo menos 500.

Dessas tecnologias de sonoridade emocionante, não parece ser aquele que está prestes a assumir, diz McClenny. Estas melhorias estão chegando, e vai ser grande quando eles fazem. Mas, apesar das notícias sem fôlego, não será num futuro muito próximo.

Agora, a estratégia mais eficaz provavelmente não vem de grandes mudanças e reinventando a bateria. Se trata de olhar existentes recursos e melhorá-las um pouco. Por exemplo, as baterias já contêm um sistema de gerenciamento de bateria, que é um software que monitora como a bateria está fazendo e pode detectar se algo vai dar errado. Uma correção útil seria tornar o BMS é melhor. Afinal de contas, o sistema de gestão já faz parte de cada bateria e fabricantes não precisam encontrar maneiras criativas, dispendiosas para integrar uma nova tecnologia. “As empresas só podem usar melhor os sensores ou formas de coleta de dados, especialmente no caso de instalações de grande porte onde você tem muitas células que compõem a baterias,” diz McClenny. “Ser capaz de identificar a célula exata que não está realizando até padrão pode fazer muita coisa.”

Isso é semelhante a abordagem adoptada pela Amionx, uma empresa de segurança da bateria baseada em San Diego. (Que é a “Am-iônicos”.) Amionx saiu a empresa bateria energia de lítio americano, e sua pesquisa originou-se com a tentativa de criar pilhas à prova de fogo para os militares.

Sua abordagem, chamada SafeCore, é uma linha final de defesa, diz CEO Bill Davidson. SafeCore não muda os componentes da bateria em si. Lo & rsquo

; s uma camada extra de material dentro da célula que para o fogo antes de começar. Quando desencadeada por algo como muito calor ou muito alta tensão, a camada de quebra a conexão entre os eléctrodos e a parte da bateria responsável pela regulação como a eletricidade se move através do dispositivo. Que desliga a bateria totalmente.

Como as outras empresas, a Amionx está focada em licenciar a tecnologia para fabricantes de bateria existente. Mas se o que acaba por ser muito lento, pensem sobre a construção de suas próprias células para levá-los ao mercado. “Ficaria desapontado se não vi o produto no mercado em 2019,” diz Davidson.

Apesar de importantes casos de explosão de bateria — como o de Galaxy Note 7phones do Samsung — baterias hoje são, estatisticamente falando, mais seguro do que eram no passado. Mas os riscos são maiores agora do que nunca, também. Esqueça telefones: a ascensão dos veículos eléctricos tem todos os interessados — e sua popularidade, a propósito, também significa o surgimento de incêndios da bateria do veículo eléctrico. E não há sequer falar sobre enormes pilhas servindo como backups para a grade do poder tradicional e para as energias renováveis.

Quando se trata de segurança, o mais fácil corrigir não é necessariamente tecnológica, mas estrutural. Especialistas dizem que já conquistamos quase 90% da vida máxima da bateria teoricamente possível da bateria do lítio-íon. Estamos criando nossos próprios problemas, empurrando as baterias para ser mais rápido e mais poderoso.

E, como a demanda por baterias cresce e as empresas de bateria scale-up, as coisas caem através das rachaduras. “Se as empresas poderiam trabalhar na sua infra-estrutura no início e não ser desleixado, que provavelmente ajudaria mais,” diz McClenny. Por exemplo, quando tentando fazer baterias mais e mais, às vezes eles cortam cantos, como tentar fazer os separadores muito fino.

Se você minimizar os erros em primeiro lugar, você tem menos necessidade de tecnologia para salvá-lo.

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