Batterie agli ioni di litio e l’influenza della temperatura

Marcello Gatto

Recenti test sul campo hanno dimostrato che l’impatto della temperatura influisce sulle prestazioni dei veicoli elettrici molto più di quanto ci si potesse aspettare in fase progettuale. Inoltre, le condizioni di sicurezza di una vettura elettrica/ibrida esposta a temperature elevate possono cambiare fino a sviluppare fenomeni estremi. Ad essere coinvolte in queste analisi sono alcune delle principali case automobilistiche (BMW, Chevrolet, Nissan, Tesla e Volkswagen). La tecnologia in merito ha fatto passi da gigante nel garantire un comportamento sicuro del veicolo, ma vediamo cosa c’è da sapere.

Tutte le vetture esposte ad un intervallo di temperatura tra -7°C e +35°C hanno mostrato lo stesso comportamento, perdendo circa il 12% delle prestazioni operando a basse temperature. Se viene attivato anche il sistema di climatizzazione interno al veicolo, la perdita di prestazione media può raggiungere anche il 41% (fonte: American Automobile Association).

Le batterie agli ioni di litio, infatti, sono molto sensibili alla temperatura. A bassi valori termici i componenti sviluppano una resistenza crescente, influenzandone la capacità e la velocità di carica e scarica.

D’altro canto, la corrente che fluisce nelle celle e le connessioni associate generano calore, per cui il raffreddamento è di vitale importanza. Questo riscaldamento è proporzionale al quadrato della corrente, moltiplicato per la resistenza interna delle celle e dei cablaggi:

H = k * I² *R

La resistenza interna delle celle aumenta al diminuire della temperatura di esercizio. Alcune case automobilistiche raccomandano di non ricaricare rapidamente (fast-charging) batterie esposte a temperature al di sotto degli 0°C.

Ma anche il caldo influisce sul comportamento delle batterie. Le celle agli ioni di litio cominciano a degradare rapidamente se la loro temperatura è eccessivamente alta (in genere il valore soglia è stimato sopra i 45°C), con conseguente impatto sulla sicurezza delle stesse.

Elevate temperature, non costituiscono un problema solo per le prestazioni ma anche per la possibilità di eventi termici incontrollati.

Per controllare il fattore temperatura, le batterie sono dotate di un sistema di raffreddamento/riscaldamento chiamato Thermal Management System (TMS), il quale gestisce i valori interni della batteria in funzione delle condizioni di esercizio, evitando di esporre il pacco batteria a valori estremi sia freddi che caldi.

Il TMS è applicato praticamente su tutti i modelli e dimostra di aver raggiunto un’efficienza adeguata a gestire la maggior parte delle criticità. Alcune case costruttrici investono in sviluppo e ricerca più di altre, ma in generale è molto difficile che in assenza di difetti la batteria possa uscire dal range di temperatura di sicurezza.

La fuga termica

Le batterie agli ioni di litio, se riscaldate, possono sviluppare un processo di fuga termica (thermal runaway). Questo fenomeno costituisce i “terrore” di ogni soccorritore, poiché effettivamente costituisce un potenziale pericolo con caratteristiche particolarmente indidiose:

• assenti o quasi eventuali segni premonitori
• rapido sviluppo
• generazione di grandi potenze termiche legate a energia chimica
• difficoltà operative di gestione
• elevata tossicità dei prodotti di combustione

Come per ogni cosa, fa paura solo ciò che non si conosce.

La reazione di fuga termica è fortemente esotermica (cioè con sviluppo di calore) con conseguente aumento della pressione interna alla batteria.

Le cause possono essere diverse, ma raggruppabili in tre famiglie:

• abuso meccanico: penetrazione o deformazione (es. incidente)
• abuso elettrico: corto circuito o sovraccarico (es. difetto di costruzione)
• abuso termico: riscaldamento da fonte esterna (es. incendio autorimessa)

Gli stessi gas che si sviluppano all’interno contribuiscono ad aumentare la pressione di ogni singola cella coinvolta. Per questa ragione, molti modelli di celle sono attrezzate con valvole di rilascio della pressione (veri e propri sfoghi di ventilazione), le quali si aprono rilasciando composti organici infiammabili. Se il rilascio non è sufficientemente rapido, esiste il rischio di esplosione di una cella, di un modulo o dell’intero pacco batteria, ma questo dipende dalle modalità costruttive dei componenti. Le vetture moderne difficilmente raggiungono le condizioni di sovrapressione tali da comportare un’esplosione: non possiamo però escluderlo, soprattutto se la fuga termica si sviluppa in seguito ad un incidente con deformazioni importanti dell’involucro in cui è contenuta la batteria.

L’emissione di carbonati organici è visibile dall’intenso fumo bianco che si sviluppa dal pacco batteria. Con il proseguire dell’evento, il fumo evolve in grigio chiaro, poi scuro dovuto all’emissione di elettrodo (principalmente costituito da grafite).

Le temperature che si raggiungono per una cella in fuga termica si aggirano intorno ai 700°C-1000°C. Queste temperature elevate si trasmettono per conduzione e irraggiamento alle celle adiacenti, generando una reazione a catena che deve essere arrestata mediante un efficace raffreddamento.

Prima di procedere a tale raffreddamento, però, la squadra antincendio deve considerare i prodotti di combustione, i quali costituiscono di per sé un pericolo imminente.

E’ impensabile attaccare un incendio di batteria agli ioni di litio senza i dispositivi di protezione delle vie respiratorie e adeguata riserva idrica.

Con i solventi organici, infatti, viene rilasciato anche il sale conduttore, in genere LiPF₆:

• quando riscaldato in ambiente umido (ad esempio durante lo spegnimento), il sale si decompone;
• a contatto con la miscela di acqua/aria, si genera acido fluoridrico (HF) in fase gassosa, altamente tossico.

A questo gas, si aggiungono una serie di prodotti chimici generati contemporaneamente:

• CO, CO₂ da materiali organici;
• NO_x, HF
• Acidi organici volatili, aldeidi e chetoni.

Anche se l’acqua, come riportato in alto, reagisce con i materiali presenti, formando composti chimici pericolosi, ad aggi l‘unica strategia efficace è il raffreddamento con grandi portate. Solo il raffreddamento, infatti garantisce l’arresto della “trasmissione” del calore a eventuali moduli non riscaldati e l’abbassamento della temperatura interna delle celle, riportando la batteria in condizioni di sicurezza.

Se utilizzate grandi portate, poi, la diluizione dei composti nell’acqua è talmente bassa da comportare rischi minimi per il personale.