Procedura di estinzione incendi di celle Litio-ione su scala di laboratorio

di Cinzia di Bari e Vincenzo Sglavo

Obiettivo del presente lavoro redatto per conto di ENEA è la messa a punto di una procedura di prevenzione e protezione dei rischi di incendio e di esplosione nel corso di esperimenti effettuati su scala di laboratorio, ovvero di definire le modalità di intervento in caso di emergenza.

Coerentemente con quanto statuito dal Testo Unico sulla tutela della salute della sicurezza dei lavoratori (Decreto Legislativo n. 81 del 2008) prima di ogni esperimento è necessario effettuare la valutazione di tutti i rischi. In particolare, per quanto riguarda prove che vedono coinvolti sistemi di accumulo elettrochimico, tra i quali quelli Litio-ione, diventa necessario effettuare: la identificazione della chimica delle celle utilizzate; l’acquisizione della scheda di sicurezza; la “storia” dei sistemi elettrochimici. È inoltre necessario dotare i laboratori di opportuni sistemi di estinzione del fuoco e addestrare il personale ad utilizzarli. Per raggiungere il nostro obiettivo, si è tentato di consolidare la ricostruzione della catena di eventi che, all’aumentare della temperatura, possono provocare i fenomeni chimici che possono determinare incendio ed esplosione di celle Litio-ione ed è stato impostato lo studio dell’entità delle conseguenze di questi fenomeni. Sono state acquisite informazioni sulla esistenza e sulla tipologia di dispositivi di protezione e controllo presenti sia a livello di cella che a livello di sistemi di accumulo di varie dimensioni; si è trattato, brevemente, il concetto di “Affidabilità” legato intimamente al concetto di “Rateo di Guasto” e agli esiti delle prove prestazionali; sono stati individuati alcuni criteri di scelta degli agenti estinguenti da utilizzare e, infine, è stato preso in esame un incidente (senza danni alle persone) avvenuto recentemente in un laboratorio di ricerca, nel corso della prova di un ciclatore su una batteria di quattro celle litio ione del tipo Li-NMC. Gli esiti di queste attività sono illustrati nei capitoli 2 e 3. Nel capitolo 4 vengono delineate le attività di prevenzione e protezione da adottare all’interno di un laboratorio e le indicazioni per mettere a punto la procedura di intervento in caso di emergenza.

Il litio è presente, come specie chimica, in due fondamentali tecnologie di accumulo elettrochimico: quelle a base di litio metallico e quelle a base di litio ione. Attualmente la tecnologia litio metallico è commercialmente impiegata nelle cosiddette batterie primarie, ovvero non ricaricabili. Diverse sono le chimiche, tra queste, ad esempio quella basata sul sistema litiocloruro di tionile. La tecnologia litio-ione è, invece, di più ampio interesse, in quanto applicata fondamentalmente nelle batterie ricaricabili, o secondarie. Anche in questo caso, esistono diverse composizioni chimiche, basate sulla diversa composizione del catodo. Tale tecnologia è diventata dominante per quanto riguarda i dispositivi elettronici di largo consumo e sta diventando estremamente allettante per applicazioni industriali, nel trasporto e nello stoccaggio di energia. Grazie alla elevata densità di energia, rispetto alle tecnologie ricaricabili precedenti e più popolari, come nichel metallo idruro, nichel cadmio e piombo acido, unita ad una bassa densità di materia, questa tecnologia ha consentito lo sviluppo di nuovi e più piccoli dispositivi elettronici. Sono stati documentati molti incidenti [1] che hanno coinvolto telefoni cellulari o computer portatili, o che hanno coinvolto pacchi batterie in veicoli o siti produttivi, con sviluppo di esplosioni od incendi. Condizioni di abuso meccanico potrebbero comportare lo sviluppo dei vapori di infiammabili dell’elettrolita che possono diffondere negli spazi circostanti una cella e trovarvi l’innesco, per poi infiammarsi. Condizioni di abuso termico o elettrico possono dare luogo a diverse reazioni chimiche di decomposizione con bilancio termico positivo, fino ad innescare la decomposizione auto-catalitica di tutti i componenti della cella con conseguente sviluppo di gas infiammabili e loro rilascio all’esterno: si tratta del cosiddetto “runaway della cella”, un fenomeno complesso e non desiderato, veloce e con elevata velocità di produzione di calore. Tutti questi fenomeni sono prevedibili, anche tendo conto che all’interno della cella, si chiude il cosiddetto “triangolo del fuoco”: un bilancio dell’ossigeno, veicolato dai carbonati organici utilizzati nella formulazione dell’elettrolita, fornisce questo dato [9]. L’entità dei danni che possono essere provocati da tali eventi incidentali, dipende dalla composizione chimica e dalla quantità di materia coinvolta nell’incidente, ovvero dalle dimensioni del sistema di accumulo: aumentando le dimensioni, possono aumentare i danni. L’aumento di scala delle dimensioni dei sistemi di accumulo può comportare diversi meccanismi di guasto, rispetto alle dimensioni di una sola cella. Per questo motivo per valutare i rischi di batterie, pacchi batteria, sistemi di accumulo, pallet di celle stoccate, ecc., non è possibile effettuare un mero “scale up” delle informazioni di pericolo di una singola cella, ma è necessario effettuare prove sperimentali che consentano di elaborare, se possibile, un algoritmo.