Como a simulação pode minimizar riscos de falhas e acidentes com dispositivos eletrônicos
Recentemente, casos de explosões de baterias de lítio em dispositivos como celulares, bicicletas elétricas e patinetes têm gerado preocupações sobre a segurança desses componentes essenciais em nossos aparelhos cotidianos. Essas baterias, embora eficientes e compactas, são sensíveis a danos físicos e ao uso inadequado, podendo levar a incidentes graves. Neste conteúdo, vamos mostrar como a simulação computacional pode ajudar engenheiros e projetistas na prevenção de acidentes, permitindo a análise e antecipação de falhas antes que se tornem um problema.
Desafios na segurança das baterias de lítio
As baterias de íons de lítio são atualmente a solução de armazenamento de energia portátil mais difundida, sendo amplamente utilizadas em veículos elétricos, celulares, laptops, sistemas de armazenamento de energia residencial e até mesmo em redes de energia em larga escala. No entanto, há preocupações crescentes sobre sua segurança.
Dados de departamentos de bombeiros da Austrália indicam que mais de 450 incêndios no país nos últimos 18 meses foram ligados a falhas em baterias de íons de lítio. A Comissão Australiana de Concorrência e Consumidores (ACCC) recentemente publicou um estudo para avaliar formas de melhorar a segurança das baterias. Além disso, até mesmo as autoridades de resgate reconhecem que ainda não há conhecimento suficiente sobre a probabilidade de falha dessas baterias, seus mecanismos de falha e as consequências potenciais de tais incidentes.
O perigo mais evidente das baterias de íons de lítio é o risco de incêndios e explosões. Caso sejam perfuradas, entrem em curto-circuito, sejam sobrecarregadas ou expostas a temperaturas elevadas, os eletrólitos inflamáveis em seu interior podem resultar em combustão ou até mesmo explosão. Embora esses eventos sejam raros, podem causar ferimentos graves, danos materiais e representam um grande risco em veículos como aviões.
Embora as baterias de íons de lítio tenham uma vida útil mais longa do que a maioria, elas também estão sujeitas a vazamentos quando degradadas ou danificadas. Se comprometidas, podem liberar substâncias corrosivas que podem causar queimaduras químicas ao entrar em contato com a pele, além de danificar os componentes do dispositivo em que estão instaladas.
Outro risco menos conhecido é a inalação tóxica. Se uma bateria de íons de lítio pegar fogo, ela pode liberar vapores tóxicos que são prejudiciais à saúde. A inalação desses gases pode resultar em problemas respiratórios e até complicações graves para a saúde.
As baterias de lítio são projetadas para operar em temperaturas de 40ºC a 45ºC. A exposição ao calor excessivo ou a danos físicos pode comprometer a camada de proteção da bateria, levando à possibilidade de combustão espontânea caso o lítio entre em contato com o ar.
O papel da simulação na prevenção de riscos
A simulação computacional é essencial para fornecer ferramentas avançadas que avaliam e mitigam riscos em baterias. Por meio da análise de fenômenos térmicos, mecânicos e eletroquímicos, é possível prever falhas, otimizar o design e garantir um desempenho seguro e eficiente ao longo do tempo.
Além de aprimorar a segurança, a simulação também desempenha um papel crucial na redução de tempo e nos custos no processo de produção de baterias. Empresas do setor precisam obter certificações de segurança rigorosas, como CE, IEC, UL e UN38.3, cujo custo pode variar entre US$ 500 e US$ 20.000, com prazos de testes que chegam a 12 semanas.
Tabela 1 – Estimativa de custo e tempo para certificação. Fonte: Epec.
O uso de simulação reduz significativamente a necessidade de testes físicos repetitivos, permitindo ajustes rápidos no design antes da fase de certificação.
Ferramentas avançadas de simulação permitem que engenheiros analisem e prevejam o comportamento das baterias de lítio, smartphones e diversos dispositivos eletrônicos sob várias condições. Através da simulação multifísica, é possível avaliar:
- Teste de runaway térmico em baterias: Avaliação do risco de falhas térmicas em baterias de lítio, onde o aumento descontrolado da temperatura pode levar a danos irreversíveis, explosões ou incêndios. O Ansys Fluent® pode ser utilizado para simular o comportamento térmico e a propagação de calor, identificando condições críticas que podem gerar runaway térmico. A análise permite prever os pontos de superaquecimento, otimizar o design das baterias para melhorar a dissipação de calor e aumentar a segurança operacional.
Figura 1 – Runaway térmico em baterias.
- Choque térmico e confiabilidade mecânica: Avaliação do impacto de variações bruscas de temperatura no desempenho elétrico e mecânico das baterias, considerando normas como MIL-STD-883, JEDEC JESD22-A106 e IEC 60068-2-14:1984.
Figura 2 – Distribuição de temperatura no smartphone.
- Teste de impacto e resistência a quedas: Análise da resposta mecânica das baterias e dispositivos a quedas acidentais, conforme normas MIL-STD-810G e GB/T2423.8-1995. O Ansys LS-DYNA® é uma ferramenta para modelagem e simulação do impacto em carcaças e componentes internos. Ela é usada para identificar pontos críticos no design, permitindo avaliar a confiabilidade do dispositivo após quedas e realização de análises paramétricas para diferentes alturas e ângulos de impacto, reduzindo custos e tempo de desenvolvimento.
Figura 3 – Simulação de queda de smartphone.
- Teste de flexão e rigidez estrutural: Avaliação da resistência mecânica das baterias e dispositivos a cargas de flexão acidentais, conforme normas IEC 61189-2:TM20, IPC TM-650 e ASTM D790. O Ansys MechanicalTM é uma ferramenta usada para simular o teste de flexão em três pontos, permitindo prever a rigidez estrutural de diferentes componentes, identificar pontos críticos sujeitos a falhas por estresse excessivo e otimizar o design para maior durabilidade, especialmente em dispositivos mais finos.
Figura 4 – Simulação de flexão e rigidez estrutural de smartphone.
- Teste de touchscreen e confiabilidade funcional: Avaliação do desempenho e da resposta tátil das telas sensíveis ao toque, essenciais para a usabilidade dos smartphones. Uso do Ansys Mechanical para modelagem viscoelástica, permitindo analisar atrasos na resposta e variações no SNR (Signal-to-Noise Ratio). A simulação fornece insights sobre a confiabilidade funcional do touchscreen, garantindo melhor experiência do usuário e maior durabilidade do componente.
Figura 5 – Teste de touchscreen.
- Teste de durabilidade de cabos: Avaliação da resistência dos cabos de alimentação de smartphones a milhares de operações de conexão e desconexão, bem como a flexões acidentais, conforme as normas IEC 60884-1 e IEC 60320-1. Uso do Ansys Explicit Dynamics para simular o processo de inserção do cabo, prever a força de inserção e a vida útil por fadiga, além de analisar o impacto da flexão com massa adicional na extremidade do cabo. A simulação permite validar a confiabilidade dos cabos nas primeiras fases do design, garantindo maior durabilidade e resistência.
Figura 6 – Teste de durabilidade de cabos
Em um mercado onde a segurança e a confiabilidade são primordiais, a utilização de ferramentas de simulação no desenvolvimento de baterias de lítio e dispositivos eletrônicos torna-se indispensável para antecipar problemas, reduzir custos e garantir a integridade dos dispositivos que fazem parte do nosso dia a dia. Não somente esse mercado tem crescido de forma exponencial, mas também o mercado de veículos elétricos, que também utilizam tecnologias de baterias de lítio e apresentam o mesmo risco à segurança.
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