Batterie agli ioni di litio, rischio da non sottovalutare

Recenti avvenimenti di cronaca, hanno posto l’attenzione sulla sicurezza legata all’impiego di energie rinnovabili o sostenibili per l’ambiente, che possano portare alla dismissione definitiva dei cosiddetti combustibili fossili.

Inevitabilmente, la messa a punto di nuove tecnologie, comporta l’assunzione di rischi che devono essere adeguatamente valutati.

La ricerca di soluzioni in grado di soddisfare le richieste energivore del mercato spinge verso la costruzione di batterie ricaricabili il più compatte e con la maggior resa energetica possibile. Non solo veicoli elettrici o device, ma anche applicazioni industriali.

Le batterie agli ioni di litio: caratteristiche e vantaggi

Le batterie sono dispositivi in grado di convertire energia chimica in energia elettrica tramite reazioni che implicano il trasferimento di elettroni.

Rispetto alle altre tecnologie di batterie ricaricabili (secondarie) di alta qualità (nichel-cadmio o nichel-metallo idruro), le batterie agli ioni di litio presentano numerosi vantaggi (il litio è l’atomo più piccolo che si trova allo stato solido e può cedere facilmente uno dei suoi tre elettroni diventando ione positivo): alta densità di energia disponibile, grandi quantità di corrente per applicazioni ad alta potenza), bassa capacità di autoscarica (nessun ciclo programmato per mantenere la durata della batteria), nessun effetto memoria.

Le batterie ricaricabili agli ioni di litio sono realizzate con litio metallico anodico, immerso solitamente in strati di grafite, un metallo di transizione come ossido di cobalto, di litio o manganese e fosfato di ferro e litio come catodo, e un elettrolita non acquoso tra i due (ad es. soluzione di perclorato di litio in etilencarbonato).

La batteria è l’insieme di più celle (o elementi) con collettori metallici e fogli di materiale polimerico, collegate tra loro in serie o in parallelo.

Le dimensioni sono correlate alla richiesta di energia necessaria al dispositivo collegato:

Ma attenzione agli aspetti di sicurezza

Nonostante tali vantaggi, tuttavia, le batterie agli ioni di litio presentano ancora una serie di problematiche, in particolare per quanto riguarda gli aspetti inerenti la sicurezza.

In condizioni di abuso nell’impiego (cortocircuito interno indotto da un incidente o da un forte impatto meccanico, cortocircuito esterno a seguito di un guasto, sovraccarico della batteria oltre la tensione massima specificata nella scheda tecnica, correnti eccessive durante le fasi di carica e di scarica), le celle presenti nelle batterie al litio possono andare incontro a un processo incontrollato e inarrestabile, definito thermal runaway (esplosione termica), con aumento piuttosto rapido della temperatura della singola cella e generazione di gas infiammabili in grado di provocare un principio d’incendio.

Nel caso in cui i gas non siano rilasciati dai dispositivi di sicurezza presenti nelle batterie, l’aumento di pressione e la reazione termica (si creano così temperature fino a 400 °C), possono provocare un’esplosione delle celle con la proiezione di frammenti dei contenitori esterni delle celle, oltre ad un incendio difficilmente estinguibile con mezzi convenzionali. Il rischio di instabilità termica inizia ad una temperatura di 60 °C e diventa estremamente critico tra i 95 e 100°C.

Le batterie sono infatti progettate per essere utilizzate in uno specifico intervallo di temperatura e tensione, che definiscono così la “finestra operativa”, all’interno della quale le prestazioni dichiarate dal produttore e la sicurezza operativa sono garantite. Conseguentemente, è rilevabile una vulnerabilità specifica quando la batteria opera al di fuori del campo definito, per abusi di natura termica, meccanica ed elettrica, mentre il rischio chimico è legato all’emissione di prodotti pericolosi.

Cosa implica un loro abuso elettrico

L’abuso elettrico può dipendere dal sovraccarico di una cella ad una tensione troppo elevata (generalmente > 4.2 V) oppure se viene fatta passare una corrente eccessiva.

In tal caso si ha la perdita di capacità della batteria, o la formazione di strutture dendritiche che possono portare al cortocircuito e alla produzione di calore per effetto Joule, con surriscaldamenti locali o generalizzati della batteria o della singola cella e quindi la possibilità del thermal runway.

L’effetto di sovra-scarica, invece, si verifica quando la tensione scende al di sotto di un dato valore minimo (generalmente <2 V), a seguito del quale si possono verificare la dissoluzione del collettore di corrente e in fase di carica, dei micro-cortocircuiti.

Cosa implica un loro abuso meccanico

L’abuso meccanico è legato a fenomeni esterni dovuti alla manipolazione delle batterie come forature accidentali, cadute, schiacciamenti, ecc..

Le conseguenze possono essere immediate, ma anche ritardate, in relazione all’entità dell’abuso meccanico e dal suo impatto sulle singole celle della batteria. La fatica meccanica (invecchiamento), dipende dalle modifiche interne che subisce l’interfaccia durante la fase di carica e scarica della cella, che possono portare a rotture delle celle con conseguente rilascio termico.

Cosa implica un loro abuso termico

L’abuso termico dipende dalla insufficiente dispersione del calore che si genera internamente alle singole celle o a causa di un elevato flusso termico esterno (esposizione alla luce diretta del sole, esposizione alle fiamme vive, …).

Il surriscaldamento generale o localizzato della cella o della batteria, può così portare al thermal runaway con conseguente incendio. Sia l’abuso meccanico che quello elettrico si traducono quindi in effetti termici che possono andare dal rigonfiamento della cella (swelling), alla perdita della sigillatura con fuoriuscita di sostanze chimiche componenti della cella, all’emissione (espulsione dei solventi o altri prodotti con o senza incendio (venting), fino alla rottura della cella con relativa esplosione ed incendio.

Le batterie possono comunque essere dotate di dispositivi di protezione sia a livello di cella, che di batteria. Il primo livello di protezione è comunque insito nelle scelte progettuali finalizzate a garantire le migliori condizioni di scambio termico e a mantenere le celle ad una temperatura costante, all’interno della finestra di lavoro, mentre il secondo livello di protezione è dato da dispositivi esterni alla cella, ma presenti nella batteria che variano a seconda delle varie tipologie di costruzione.

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