Sicurezza delle batterie agli ioni di litio

di Marcello Gatto

La sicurezza delle batterie a base di litio continua ad attirare molta attenzione da parte dei media e degli acquirenti. E’ bene precisare che qualsiasi dispositivo di accumulo di energia comporta un rischio: anche nel 1800 le prime macchine a vapore esplodevano per sovrapressione e le persone morivano o rimanevano seriamente ferite. A maggior ragione, i rischi legati al trasporto di benzina altamente infiammabile nelle auto era un argomento particolarmente discusso nei primi anni del 1900. Tutte le batterie, dunque, comportano un rischio per la sicurezza e i produttori di batterie sono tenuti a soddisfare determinati requisiti di sicurezza; il problema è che le aziende meno affidabili sono note per cercare scorciatoie e cavilli legali per ridurre al minimo i dispositivi di sicurezza (e quindi i costi), per cui è bene per l’acquirente prestare molta attenzione.

Principio di funzionamento di un cella in fase di scarica

Gli ioni di litio sono un sistema di produzione di energia statisticamente sicuro, ma con milioni di consumatori che usano le batterie, i guasti sono inevitabilmente destinati ad aumentare. Nel 2006, una rottura su 200.000 ha provocato il richiamo di quasi sei milioni di pacchi batteria agli ioni di litio. Sony, il produttore delle celle agli ioni di litio in questione, sottolineò che, in rare occasioni, particelle di metallo microscopiche possono entrare in contatto con altre parti della cella della batteria, causando un cortocircuito all’interno della cella.

E’ per questo che i produttori di batterie si sforzano di ridurre al minimo la presenza di particelle metalliche. L’industria dei semiconduttori ha speso miliardi di dollari per trovare modi per ridurre le particelle. Le “clean rooms” più avanzate sono di classe 10: all’interno sono presenti 10.000 particelle più grandi di 0,1 um per metro cubo (ISO 4 secondo ISO 14644 e ISO 14698). Nonostante questa elevata pulizia, nei wafer (sono i singoli blocchi) a semiconduttore si verificano ancora difetti di particelle. La classe 10 riduce il numero delle particelle ma non le elimina completamente.

Flusso di elettroni generato nella cella

I produttori di batterie possono utilizzare “cleanrooms” a controllo meno rigoroso rispetto all’industria dei semiconduttori. Mentre un semiconduttore non funzionante finisce semplicemente nel cestino, un ione di litio compromesso può farsi strada senza essere rilevato e deteriorarsi senza saperlo. I guasti risultanti sono particolarmente critici con l’assottigliamento dei separatori con conseguente aumento dell’energia specifica.

Perché le batterie agli ioni di litio si innescano?

Le batterie agli ioni di litio di qualità sono sicure se utilizzate come previsto. Tuttavia, è stato segnalato un numero elevato di guasti al calore e al fuoco nei prodotti di consumo che utilizzano batterie non certificate e l’hoverboard ne è un esempio. Ciò potrebbe essere stato risolto con l’uso di ioni di litio certificato sulla maggior parte dei modelli attuali. Un funzionario UL in un convegno a Washington, DC ha dichiarato che nessun nuovo incidente di surriscaldamento o incendio era stato segnalato da quando il Litio negli hoverboard era stato certificato. Gli incendi originati dal Samsung Galaxy Note 7 erano dovuti a un difetto di fabbricazione anch’esso risolto. Anche la batteria della power unit principale del Boeing 787 Dreamliner presentava difetti, in seguito risolti.

Hoverboard in fase di incendio

I principali usi errati di tutte le batterie sono:

  • vibrazioni eccessive;
  • esposizione a calore elevato;
  • carica di ioni di litio a temperatura sotto lo zero.

Le batterie agli ioni di litio e al piombo non possono essere scaricate completamente e devono essere conservate con una carica residua. Mentre le batterie a base di nichel possono essere conservate in uno stato di completa scarica senza alcun effetto collaterale apparente, gli ioni di litio non devono abbassarsi al di sotto di 2 V/cella per un certo periodo di tempo. All’interno delle celle si formano delle “deviazioni” (Shunt) di rame che possono portare ad un’autoscarica elevata o ad un corto circuito elettrico parziale. Se ricaricate, le celle potrebbero diventare instabili, causando calore eccessivo o mostrando altre anomalie.

Galaxy S7 edge incendiato

Si dice che il calore combinato con una carica completa induca più stress agli ioni di litio rispetto al normale ciclo. E’ consigliabile pertanto, tenere la batteria e il dispositivo lontano dall’esposizione al sole e riporli in un luogo fresco quando non sono in carica parziale. Il superamento della corrente di carica raccomandata con una modifica a ultraveloce danneggia anche gli ioni di litio. Il nichel-cadmio è l’unica sostanza chimica che accetta la ricarica ultraveloce con il minimo stress.

Le batterie agli ioni di litio che sono state esposte a sollecitazioni possono funzionare normalmente ma diventano più sensibili agli abusi meccanici. La responsabilità per una batteria guasta va al produttore anche se il guasto potrebbe essere stato causato da un uso e una gestione impropri. Ciò preoccupa i produttori di batterie che fanno il possibile per rendere sicuri i loro prodotti.

Con oltre un miliardo di telefoni cellulari e computer utilizzati ogni giorno nel mondo, il numero di incidenti è davvero ridotto. In confronto, la National Oceanic and Atmospheric Administration afferma che la possibilità di essere colpiti da un fulmine nel corso di una vita è di circa 1 su 13.000. Le batterie agli ioni di litio hanno un tasso di guasto inferiore a uno su un milione. Il tasso di fallimento di una cella agli ioni di litio di qualità è migliore di 1 su 10 milioni.

Le batterie industriali, come quelle utilizzate per gli utensili elettrici, sono generalmente più robuste rispetto a quelle dei prodotti di consumo. Oltre alla costruzione solida, le batterie degli utensili elettrici sono massimizzate per l’erogazione di energia per lunghi periodi di autonomia. Le Power Cells hanno un tasso di Ah inferiore rispetto alle celle comuni di PC e cellulari e sono generalmente più tolleranti e più sicure se utilizzate in condizioni di stress.

Batteria industriale

Più noti sono i problemi di sicurezza con i veicoli elettrici. Tuttavia, le statistiche mostrano che i veicoli elettrici producono meno incendi rispetto ai veicoli con motore a combustione interna (ICE) per miliardo di chilometri percorsi. Secondo la National Fire Protection Association (NFPA), negli anni ’80 furono bruciate oltre 400.000 auto a propulsione ICE. Oggi, 90 incendi per miliardo con veicoli ICE sono considerati normali; i rapporti ufficiali dicono che Tesla ha avuto solo due incendi per un miliardo di chilometri percorsi.

Incendio di una Tesla a Shangai

Cosa fare quando una batteria si surriscalda o si incendia

Se una batteria agli ioni di litio si surriscalda, sibila o si gonfia, allontanare immediatamente il dispositivo da materiali infiammabili e posizionarlo su una superficie non combustibile. Se possibile, rimuovere la batteria e metterla all’aperto. La semplice disconnessione della batteria dalla carica potrebbe non interrompere il suo percorso distruttivo.

Un piccolo incendio scaturito dagli ioni di litio può essere gestito come qualsiasi altro fuoco combustibile. Per risultati ottimali, conviene utilizzare un estintore a schiuma, a CO2, o polvere chimica secca polivalente ABC, grafite in polvere, polvere di rame o soda (carbonato di sodio). Se l’incendio si verifica in luoghi particolari come la cabina di un aeromobile, la FAA ordina agli assistenti di volo di usare acqua o bibite gassate. I prodotti a base d’acqua sono più prontamente disponibili e sono appropriati poiché gli ioni di litio contengono pochissimo metallo litio che reagisce con l’acqua. L’acqua raffredda anche l’area adiacente e impedisce al fuoco di propagarsi. Laboratori di ricerca e fabbriche usano l’acqua per spegnere gli incendi di batterie agli ioni di litio.

L’equipaggio non può accedere alle aree di carico di un aereo passeggeri durante il volo. Per garantire la sicurezza in caso di incendio, gli aerei si affidano ai sistemi di soppressione dell’incendio. L’Halon è un comune gas antincendio, ma questo agente potrebbe non essere sufficiente per estinguere un incendio agli ioni di litio nella stiva. I test della FAA hanno scoperto che il gas halon anti-incendio installato nelle aree di carico delle compagnie aeree non può estinguere un incendio della batteria che si combina con altro materiale altamente infiammabile, come il gas in una bomboletta aerosol o cosmetici comunemente trasportati dai viaggiatori. Tuttavia, il sistema impedisce la propagazione della fiamma su materiale infiammabile adiacente come cartone o indumenti.

Progetto di attivazione dei sistemi antincendio all’interno di una stiva d’aeromobile

Con l’uso crescente di batterie agli ioni di litio, sono stati sviluppati metodi migliori per estinguere gli incendi al litio. L’agente estinguente a dispersione acquosa di vermiculite (AVD) disperde la vermiculite esfoliata chimicamente sotto forma di nebbia ed offre molti vantaggi rispetto ai prodotti esistenti. Gli estintori AVD sono disponibili in una bomboletta spray da 400 ml per un piccolo incendio; scatola metallica AVD per magazzini e fabbriche; un sistema trolley AVD da 50 litri per incendi più grandi e un sistema modulare che può essere trasportato su un camioncino.

Estintore a soluzione acquosa di vermiculite (AVD)

Un grande incendio agli ioni di litio, come in un veicolo elettrico, potrebbe aver bisogno di spegnersi. È possibile utilizzare acqua con materiale in rame, ma questo potrebbe non essere disponibile ed è costoso per gli impianti antincendio. Sempre più esperti consigliano di usare l’acqua anche con grandi incendi agli ioni di litio. L’acqua abbassa la temperatura di combustione ma non è consigliata per gli incendi della batteria contenenti litio-metallo.

In caso di incendio con una batteria al litio-metallo, utilizzare solo un estintore di classe D. Il litio-metallo contiene molto litio che reagisce con l’acqua e peggiora il fuoco. Con l’aumentare del numero di veicoli elettrici, anche i metodi per estinguere tali incendi devono aumentare.

ATTENZIONE: Non utilizzare un estintore di classe D per spegnere altri tipi di incendi; assicurarsi che siano disponibili anche estintori regolari. Con la batteria completamente scarica, consentire un’ampia ventilazione mentre la batteria si esaurisce da sola.

Durante una fuga termica, l’elevato calore della cella difettosa all’interno di un pacco batteria può propagarsi alle celle successive, facendo sì che anche queste diventino termicamente instabili. Può verificarsi una reazione a catena in cui ciascuna cellula si disintegra secondo i propri tempi. Un pacchetto può quindi essere distrutto in pochi secondi o nell’arco di diverse ore mentre ogni cella viene consumata. Per aumentare la sicurezza, i pacchetti dovrebbero includere divisori per proteggere la cellula difettosa dalla diffusione a quella vicina.

Un laptop danneggiato da una batteria agli ioni di litio difettosa

Il gas rilasciato da una cella di ionizzazione agli ioni di litio è principalmente anidride carbonica (CO2). Altri gas che si formano attraverso il riscaldamento sono l’elettrolita vaporizzato costituito da fluoruro di idrogeno (HF) da 20–200 mg / Wh e fluoruro di fosforo (POF3) da 15–22 mg / Wh. I gas di combustione includono anche prodotti di combustione e solventi organici.

Le conoscenze sulla tossicità dell’elettrolita in combustione sono limitate e la tossicità può essere superiore a quella dei normali combustibili. E’ consigliato di ventilare la stanza e liberare l’area se sono presenti fumo e gas. Gas e fumo in un’area confinata come un aereo, un sottomarino e una miniera presenteranno un potenziale rischio per la salute.

Mentre le batterie a base di litio sono pesantemente studiate per la sicurezza, anche le batterie a base di nichel e piombo causano incendi e vengono richiamate dai produttori. I motivi sono i separatori difettosi derivanti da invecchiamento, manipolazione approssimativa, vibrazioni eccessive e alte temperature. Le batterie agli ioni di litio sono diventate molto sicure e si verificano raramente guasti dovuti al calore se utilizzate correttamente.