Rischi del litio: puoi veramente fidarti di una batteria al litio?

Cosa succederebbe se la batteria al litio del tuo mezzo prendesse fuoco?

Il tema della sicurezza nelle batterie al litio attira sempre l’attenzione degli utilizzatori.

Sentiamo sempre di più, purtroppo, di troppi casi di incidenti causati dall’esplosione di batterie al litio che improvvisamente prendono fuoco durante l’uso o durante la ricarica.

Uno dei casi più noti è quello di Boeing (ne ha parlato il magazine Focus in questo articolo  e la CNN  in questo approfondimento) avvenuto nel 2013, quanto sarà costato a Boeing in termini di immagine e di costo nel tenere a terra i 50 Boeing 787 incriminati???

Avrai sicuramente letto di tanti altri casi in cui le batterie al litio sono esplose e hanno provocato incendi, dalle vetture Tesla, agli autobus elettrici, fino ai monopattini elettrici che hanno fatto incendiare intere abitazioni portando purtroppo anche alcuni decessi.

Perché è successo?

Chi è il responsabile di questi disastri?

Vuoi evitare che la tua macchina e l’immagine del tuo brand vengano influenzati da questi incidenti?

In questo articolo ti sveleremo i 3 fattori chiave nella sicurezza delle batterie al litio:

1. Scelta della giusta chimica delle batterie al litio

2. Tipologia di assemblaggio degli accumulatori al litio

3. Elettronica che controlla la batteria al litio

Scelta della giusta chimica delle batterie al litio

Sul mercato ci sono centinaia di chimiche diverse per gli accumulatori al litio ma quelle più utilizzate sono 3:

• Litio NMC – Lithium Nikel Manganese Cobalto (LiNiMnCoO2)
• Litio NCA – Lithium Nikel Cobalt Alluminum (LiNiCoAIO2)
• Litio LFP – Lithium Iron Phosphate (LiFePO4)

Il nostro obiettivo è identificare la chimica al litio più sicura per il tuo mezzo al fine di evitare spiacevoli rischi nell’utilizzo delle batterie al litio.

In questo schema abbiamo riassunto gli elementi intrinsechi ad ogni chimica in termini di sicurezza e di valori che la determinano.

Temperatura di decomposizione: più questa temperatura è alta, più sarà difficile portarsi nelle condizioni di decomposizione, quindi, la cella della batteria al litio risulterà più sicura. Si riferisce ad una situazione in cui un incremento di temperatura va a determinare una condizione in cui vi è un aumento ulteriore  di temperatura, ad esempio un effetto domino tra le celle interne alla batteria, chiamato anche Thermal Runaway.

Test di collaudo sulla sicurezza delle batterie: litio-LFP vs litio-NMC

Calore rilasciato: è misurato in Joule su grammo ed indica l’energia che può rilasciare la cella della batteria sotto forma di calore, contribuendo così all’aumento di temperatura. Più questo valore è basso, più la batteria al litio sarà sicura. È proprio l’aumento della temperatura che causa di danni maggiori, l’incendio potrebbe non venire direttamente dalla cella ma innescarsi sui componenti vicini o circostanti alla batteria, ad esempio di materiale plastico.

Con questo video-test cerchiamo di rendere reali e di testare questi dati attraverso un esempio concreto.

Abbiamo realizzato un test di abuso su due chimiche differenti (Nail Penetration Test) mettendo a confronto due chimiche diverse: la chimica al litio LFP a sinistra ed la chimica al litio NMC a destra.

Nail Penetration Test

I Nail Penetration Test sono un ottimo esempio di test di sicurezza sulle batterie al litio eseguiti per simulare i corto circuiti interni alle celle e vederne l’evoluzione. I nostri tecnici del laboratorio R&D utilizzano spesso questo test di penetrazione in quanto ci danno un ottimo riscontro della sicurezza della cella.

In questo test la batteria campione viene penetrata con un chiodo.

In questo modo la perforazione simula un cortocircuito interno e permette di verificare che la batteria non prenda fuoco o che non esploda.

Le probabilità che una cella venga penetrata nell’ uso comune in una batteria al litio installata su veicoli elettrici e macchine industriali è decisamente bassa, ma noi prendiamo in esame questo test perché simula la peggior cosa che può capitare ad una cella, ovvero il corto circuito interno che può avvenire per eventuali difetti di fabbricazione o abuso.

Test di perforazione: Flash Battery vs Other Chemistry

Come hai visto le reazioni al test di penetrazione sono completamente differenti, sia come tempo di propagazione che come temperature raggiunte.

Se consideriamo di avere queste celle accostate tra loro all’interno di un pacco batterie al litio capiamo che le chimiche meno sicure raggiungono temperature molto alte (> 550°C nel caso del video).

Queste alte temperature possono innescare un effetto a catena con le celle vicine causando l’innesto di tutta la batteria, ne è un valido esempio la batteria impiegata da Boeing. (* guarda l’ immagine batteria Boeing sopra)

Tipologia di assemblaggio degli accumulatori al litio

L’ assemblaggio è un altro fondamentale punto da cui passa la sicurezza intrinseca della batteria, nello specifico il numero dei paralleli all’interno del pacco è l’elemento determinante, un concetto già ripreso nell’articolo dedicato alle differenti celle al litio.

Rimanendo nel mondo delle batterie al litio per veicoli elettrici e macchinari industriali le necessità sono quelle di avere delle capacità mediamente elevate che possono andare dai 100Ah oltre i 1000Ah.

Nel video precedente abbiamo dimostrato come una singola cella con litio-LFP rimane in sicurezza anche in caso di corto circuito interno.

La sicurezza del litio-LFP si mantiene in tutte le condizioni? 

Molti produttori di batterie al litio assemblano pacchi batterie con celle di piccola taglia pertanto sono costretti a mettere un numero molto elevato di celle in parallelo.

Pensiamo ad una batteria da 400Ah.

Se è composta da celle cilindriche da 3Ah, servirebbero 130 celle in parallelo, se invece è composta da celle prismatiche da 50Ah, in questo caso avremo 8 celle in parallelo..

Cosa succede se una di queste 8 o 130 celle dovesse andare in corto circuito?

La cella al litio che andrà in corto circuito dovrà assorbire tutta l’energia dell’intero parallelo ovvero 8 o 130 volte la sua capacità.

In questo modo la temperatura della cella aumenterà esponenzialmente mettendo a rischio la sicurezza dell’intera batteria o dell’intero veicolo.

Nei nostri laboratori abbiamo simulato e testato queste criticità e siamo arrivati ad una conclusione: le batterie Flash Battery  vengono realizzate con al massimo 4 celle in parallelo per garantire la sicurezza in ogni situazione.

Elettronica di controllo nella batteria al litio

Il terzo e ultimo aspetto per garantire la sicurezza dell’interno pacco batteria al litio è l’elettronica che controlla la batteria, il cervello della batteria. Dedicheremo nei prossimi mesi un articolo che parla nello specifico del BMS e tutte le sue funzioni, ad oggi ci limitiamo a descrivere le funzioni riguardanti la sicurezza.

Il compito principale dell’elettronica è quella di monitorare la tensione e la temperatura delle singole celle, oltre a questo deve dialogare con veicolo e carica batterie per bloccare carica e scarica in caso di situazioni critiche ed eventualmente intervenire sui teleruttori generali.

La differenza tra i produttori di batterie al litio è nel come funziona l’elettronica di controllo in situazioni di pericolo

I sistemi tradizionali monitorano la temperatura ogni 3-4 celle e non sempre nei punti giusti.