L’instabilità termica nelle batterie agli ioni di litio: se la conosci la eviti!

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Quando la scorsa primavera un automobilista tedesco è stato arso vivo in seguito a un incidente a bordo della sua Tesla, i vigili del fuoco utilizzarono l’espressione “instabilità termica” o “Thermal Runaway” per descrivere il fenomeno che potrebbe aver causato l’incendio.

In chimica e nell’ingegneria chimica, con il termine thermal runaway ci si riferisce ad una situazione in cui un incremento di temperatura del sistema crea delle condizioni che determinano un ulteriore aumento di temperatura. È un particolare caso di feedback positivo per cui si genera uno scostamento incontrollato dalle condizioni di equilibrio del sistema. Nei casi gravi una situazione di runaway può determinare un’esplosione.

Il problema della fuga termica

La fuga termica è il problema scientifico chiave nella ricerca sulla sicurezza delle batterie e particolarmente sentito nelle batterie agli ioni di litio che oggi sono il cavallo di battaglia nello sviluppo dei veicoli elettrici e nella loro accettazione da parte del grande pubblico.

L’articolo “Metodi efficaci per combattere l’instabilità termica (Thermal Runaway)” presentato da Andreas Mangler, Direttore Marketing Strategico e Comunicazioni e Roland Hofmann, Responsabile Vendite Prodotti per la Gestione Termica, entrambi di Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH, si basa sulle ricerche e i risultati di test effettuati dall’Università di Tsinghua, Beijing (China), dalla National University di Singapore e dalla Chinese Academy of Sciences di Beijing.  L’articolo fornisce una analisi completa dei meccanismi che possono essere alla base di instabilità termica delle batterie commerciali agli ioni di litio per veicoli elettrici. Sono state riassunte le condizioni di abuso che possono portare a fenomeni di instabilità termica. Le condizioni di abuso includono abuso meccanico, abuso elettrico e abuso termico. Il cortocircuito interno è la caratteristica più comune per tutte le condizioni di abuso. La fuga termica segue un meccanismo di reazioni a catena, durante il quale la reazione di decomposizione dei materiali dei componenti della batteria si verifica uno dopo l’altro.

Come si comportano celle e moduli

Dopo una prima analisi dei diversi meccanismi che possono essere alla base della instabilità termica l’articolo punta l’attenzione sul comportamento di celle e moduli dal punto di vista termico durante le fasi di carica e scarica a diversi livelli di corrente, con diverse condizioni di raffreddamento e configurazioni del pacco batterie.

Lo studio prende in considerazione celle agli ioni di litio cilindriche del tipo LFP 18650 e dopo averne studiato il comportamento termico presa singolarmente vengono analizzate diverse configurazioni di pacchi batterie e per ognuna viene analizzato il comportamento termico in diverse condizioni di caria e scarica.

Da queste analisi vengono tratte alcune considerazioni e vengono inoltre suggerite soluzioni per migliorare l’affidabilità dal punto di vista termico.

La realizzazione di pacchi batteria e moduli per la sicurezza

Per prevenire l’avvio in una fuga termica diventa indispensabile minimizzare la ritenzione del calore nel pacco batterie prevedendo, se il caso, sistemi per la rimozione dell’energia termica.

L’articolo di Rutronik suggerisce l’uso di un foglio di grafite pirolitica (PGS – Panasonic) inserito tra le celle (vedi figura 2) che porti rapidamente l’eventuale energia termica sviluppata nella cella adiacente verso un sistema di raffreddamento comune.

Ma anche isolare termicamente le celle adiacenti può impedire la propagazione da una cella all’altra di una sovratemperatura. Allo scopo viene suggerito l’inserimento di un sottile foglio Panasonic)  con una bassissima conducibilità termica (isolante termico) tra celle adiacenti.

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