Batterie al litio e sicurezza: quali chimiche sono più sicure?

Le batterie al litio non sono tutte uguali ma hanno caratteristiche, forme, chimiche e livelli di sicurezza differenti. Ecco tutti i dettagli e i test di corto circuito

12 aprile 2022 - 11:02

Le batterie al litio sono entrate in modo prepotente nella nostra vita quotidiana con forme e tecnologie chimiche tra le più svariate di cui spesso se ne ignorano le differenze. In questo approfondimento vogliamo parlarvi proprio delle differenze tra le batterie delle auto elettriche e ibride più diffuse. Scopriremo quali sono i componenti delle batterie agli ioni di litio, cosa cambia tra le batterie al Litio LCO, NCM, NCA, LFP e quali sono le batterie al litio chimicamente più sicure.

BATTERIA AL LITIO PRIMARIE E SECONDARIE: COSA CAMBIA

Nel linguaggio comune è diventato molto frequente identificare una batteria in modo generico come “batteria al litio”, quella presente nel pc portatile, nello smartphone, nell’orologio da polso e in un veicolo elettrico. Prima di approfondire nel dettaglio tutte le differenze tra le batterie agli ioni di litio, dunque è opportuno considerare distinguere le batterie non ricaricabili dalle batterie ricaricabili:

– le batterie (o pile) non ricaricabili, sono le classiche monouso a bottone o cilindriche, indicate anche come “batterie primarie”. Sono caratterizzate da una o più celle con anodo in Litio metallico, catodo di Diossido di Manganese (MnO) o Cloruro di Tionile (SOCl2), etc. un sale di litio disciolto in una miscela di solventi organici come elettrolita;

– le batteriesecondarie” si differenziano dalle precedenti perché si possono ricaricare e sono costituite da una o più celle collegate tra loro al cui interno è presente un anodo di ossido metallico di Litio e un catodo costituito da grafite. In base alla geometria delle celle, esistono anche batterie secondarie con litio metallico, ma il largo impiego della tecnologia basata su ioni di Litio Li+, ha permesso di aumentare la densità energetica e risolvere i problemi di maggiore reattività del Litio metallico;

L’energia che rispettivamente la pila o l’accumulatore devono erogare comporta differenti soluzioni costruttive, forme e chimiche. In generale, maggiore è la richiesta energetica, maggiori saranno le dimensioni e il peso di una batteria. Va comunque considerato che la ricerca sulle batterie agli ioni di litio prosegue a un ritmo notevole, per fronteggiare la reperibilità delle materie prime, la sostenibilità, la stabilità termica e la crescita delle vendite di veicoli elettrificati. Uno dei traguardi a cui punta la ricerca (ma ci vorrà ancora del tempo) è anche l’adozione di batterie allo stato solido che possano ridurre al massimo proprio i rischi legati all’adozione di elettrolita liquido di natura organica.

COM’E’ FATTA UNA BATTERIA AL LITIO

Se ci focalizziamo ora sulle batterie secondarie agli ioni di litio, quelle che alimentano anche i veicoli elettrici e ibridi, ma non solo, possiamo trovare all’interno di ogni singola cella alcuni elementi principali che ne permettono il funzionamento:

l’anodo è l’elettrodo negativo che, in fase di scarica, eroga elettroni secondo una reazione di ossido-riduzione che varia in funzione del materiale attivo;

il catodo è l’elettrodo positivo che, in fase di carica, accetta elettroni;

il separatore è una parete fatta di polimero tra anodo e catodo che serve a prevenire il corto circuito interno alla cella, ma permettere il passaggio di ioni nell’elettrolita attraverso i pori. In alcune batterie, il separatore ha anche una funzione di sicurezza “attiva”, cosiddetta ad effetto shut-down. All’aumentare di una temperatura critica, i pori del separatore si chiudono impedendo il passaggio di ioni e quindi il funzionamento della cella (serve per limitare il rischio di thermal runaway, una reazione che porta all’incendio);

l’elettrolita che è il mezzo attraverso cui avviene il trasferimento degli ioni litio tra anodo e catodo e quindi la circolazione di elettroni nella cella. E’ generalmente un sale di litio disciolto in un solvente organico, oppure in forma di gel nelle batterie ai polimeri di Litio (LiPo), ampiamente utilizzate nell’elettronica di consumo;

i dispositivi di sicurezza principali di cui deve essere dotata una cella agli ioni di litio sono il PTC e un dispositivo di venting. Il PTC – Positive Temperature Coefficient è un resistore con un coefficiente di temperatura positivo, la cui resistenza aumenta all’aumentare della temperatura. Il dispositivo di venting è una valvola di sicurezza che serve ad evacuare in maniera controllata i gas che possono svilupparsi con la fuga termica Thermal runaway o incendio a valori di pressione previsti dalle norme internazionali. Può essere un disco di rottura (nelle celle cilindriche e prismatiche) o la rottura della saldatura nelle celle a sacchetto, cosiddette Pouch;

BATTERIE AL LITIO: DIFFERENZE TRA LCO, NCM, NCA, LFP E SICUREZZA

Dopo aver visto i componenti principali di una cella agli ioni di litio, arriviamo al punto più interessante di questo approfondimento: le differenze tra le batterie agli ioni di litio più diffuse in ambito automotive. E’ una caratterizzazione che ci permette di identificare, in base alla stabilità degli elementi chimici di cui sono composte le celle anche la sicurezza delle batterie e di conseguenza l’energia che le stesse liberano in caso di runaway (fuga termica), aspetto importante che abbiamo approfondito con Daniele Invernizzi, Fondatore di eV-Now. Le batterie agli ioni di litio per veicoli più note e diffuse sono:

LCOLitio Cobalto, con LiCoO2 (Litio Ossido di Cobalto) come materiale catodico, già ampiamente sostituito da chimiche che prevedono il minore utilizzo di Cobalto, a causa dei costi elevati, reperibilità e sicurezza. Anche per questo non è inclusa nell’infografica di confronto in basso;

NCALitio Nichel Cobalto Allumino, che adottano un catodo in Li(NiCoAl)O2 a cui è attribuita una maggiore sicurezza rispetto alle LCO e la più alta densità di energia per volume (600 Wh/l). Hanno un livello di sicurezza adeguato, ma anche un rilascio di energia maggiore (900 J/g) a una temperatura più bassa (150 °C) nei test di perforazione della cella Nail Penetration Test, effettuati da FlashBattery, in cui un ago perfora la cella per simulare i corto circuiti interni e valutare l’evoluzione del rilascio di energia in Joule per grammo alle varie temperature;

NCMLitio Nichel Cobalto Manganese, che hanno una densità energetica (580 Wh/l) equivalente alle LCO, ma costi più bassi e in caso di reazione termica, l’energia è rilasciata in minore quantità (600 J/g) a una temperatura più alta (210 °C) rispetto alle NCA;

LFPLitio Ferro Fosfato, rappresentano la frontiera verso cui si dirige la ricerca delle batterie agli ioni di litio che stanno iniziando ad adottare i primi costruttori (Tesla a partire dalla Model 3 prodotta in Cina e Nio). Paga una minore densità energetica (333 Wh/l) rispetto alle batterie LCO, ma con un’ottima stabilità termica e chimica in caso di cortocircuito e sovraccarica. In caso di fuga termica infatti, l’energia liberata è di 200 J/g alla temperatura di 270 °C.

GEOMETRIA E SICUREZZA DI UNA BATTERIA AL LITIO

Come sottolinea uno studio sulla valutazione dei rischi realizzato dall’ENEA con i Vigili del Fuoco, oltre alla sicurezza intrinseca della cella, la sicurezza di una batteria agli ioni di litio per veicoli dipende anche da altri fattori che si inseriscono nella progettazione del pacco batteria (costituito da più moduli, di numerose celle collegate tra loro) e del veicolo stesso. Ad esempio:

– il BMS (Battery Manegement System) che serve a monitorare lo stato della batteria per controllarne il funzionamento, le prestazioni e prevenire i rischi di runaway (fuga termica);

– un’adeguata progettazione del sistema di gestione del calore da cui discende l’adozione di una geometria specifica a celle cilindriche (più esigenti) o a sacchetto Pouch;

– il sistema di raffreddamento (ad aria o liquido);

– l’utilizzo di sensori;

I ricercatori hanno infatti sottolineato che ad ogni combinazione tra chimica di catodo e anodo, elettrolita, additivi e tipo di separatore corrispondono valori di densità di potenza, regimi di carica, capacità, tecniche di gestione della carica e problematiche di sicurezza differenti. Questo approfondimento serve per far chiarezza e da stimolo per i giornalisti affinché facciano differenza tra le varie tecnologie. Inoltre l’industria automobilistica dovrebbe essere più trasparente scrivendo sempre che tipo di batteria monta questo/quel veicolo, dando la possibilità ai clienti di conoscere le caratteristiche chimiche della batteria montata sul proprio veicolo e quindi scegliere anche in base alla sicurezza della chimica utilizzata.

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