Nuove soluzioni che rendono i pacchi batteria autoestinguenti

Sebbene più studi di settore hanno ampiamente dimostrato come sia molto più pericoloso avere un'automobile con un grosso serbatoio pieno di un liquido altamente infiammabile, piuttosto che delle batterie al litio, il numero crescente di auto elettriche solleva interrogativi e preoccupazioni sulla sicurezza soprattutto in questo periodo di transizione dove il potere della paura del cambiamento, porta inevitabilmente a conclusioni affrettate ed incorrette.

La quantità d'acqua per estinguere un incendio non è il problema, infatti l'autopompa è generalmente dotata di un serbatoio contenente acqua anche fino a 4.200 litri. Dunque dov’è la difficoltà da parte dei pompieri? Quando i soccorsi si apprestano a spegnere il rogo di un’auto elettrica si presentano molto spesso con due auto-cisterne e a seconda della necessità anche con più squadre sul posto. Il problema consiste nel tempo necessario a raffreddare totalmente il pacco batteria.  

Un pacco batteria al LiFePO4 (litio-ferro-fosfato), in caso di incendio non emette fiamme ma solo un fumo la cui tossicità è relativamente contenuta e la sua temperatura superficiale raggiunge solo 30°C a 60°C. Non si può dire lo stesso con le celle che compongono i pacchi batteria con chimica LiNiMnCoO2 (nichel-manganese-cobalto) o con chimica LiCoO 2 (litio-nichel-cobalto-ossido di alluminio). Con queste due chimiche in caso di surriscaldamento, il rischio di instabilità termica diventa estremamente critico e superata una determinata soglia, si verifica una reazione a catena chiamata “thermal runaway” che incendia l'intero pacco batteria, il tutto con temperature molto elevate. Anche se l'incendio viene tenuto sotto controllo inondando il pacco batteria da un agente estinguente, possono verificarsi scoppi spontanei fino a quando la temperatura del veicolo non è completamente scesa. I vigili del fuoco fanno uso di una termocamera per monitorare la carcassa del veicolo durante tutto l’intervento.

Una questione di tempo

All’innescarsi di un incendio, il tempo necessario ai soccorritori per intervenire in modo efficace è fondamentale e si possono avverare dei casi in cui gli spazi di manovra sono cosi ristretti che rendono impossibile usare determinati mezzi. Certe società hanno vietato le auto elettriche sia nei parcheggi sotterranei o sui loro traghetti, per paura che un incendio si sviluppi in modo incontrollabile e possa danneggiare irrimediabilmente altri veicoli o l’imbarcazione con danni ingenti.

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Micro estintori

Le cose potrebbero cambiare con un mini estintore automatico alloggiato direttamente nel pacco batteria con l’obiettivo di agire al cuore del problema. L'azienda tedesca JOB, attiva nel campo della protezione antincendio e in particolare nei cosiddetti impianti "sprinkler" (docce automatiche), ha sviluppato un micro-estintore in grado di combattere immediatamente e automaticamente l'innescarsi di un incendio in un pacco batteria.

L'idea è quella di intervenire alla fonte in modo da evitare l'arrivo della famosa reazione a catena che porta alla combustione di tutte le celle che compongono il pacco batteria.

Thermal runaway: LFP, NMC, NCA

Un’ampolla di vetro

Chiamata E-Bulb, questa tecnologia è in realtà costituita da una minuscola ampolla di vetro inserita in un termoplastico ignifugo “hot melt” e posizionata all’interno di un modulo contenete più celle. Se il sistema rileva una temperatura critica superiore ai 165°C, l’ampolla scoppia e attiva un meccanismo che interrompe il circuito che alimenta i moduli del pacco batteria.

Quando scoppia, l’ampolla spruzza anche del liquido estinguente nel fusibile termico, che ha l'effetto di inibire il rischio di archi elettrici e agisce dunque come un micro-estintore nel pacco batteria.

Il funzionamento di una cella al litio

L'elettrolita consente agli ioni di litio che trasportano una carica elettrica di spostarsi attraverso un separatore tra i terminali positivo e negativo di una batteria. L'elettrolita è altamente combustibile, fatto di sale di litio e un solvente organico fa si che le celle siano sensibili al rischio di fuga termica.

Per natura, la temperatura di una cella cambia mentre si carica e si scarica, a causa della resistenza interna, ovvero l'opposizione all'interno della batteria al flusso di ioni di litio. Le alte temperature esterne o le temperature irregolari all'interno di un pacco batteria minacciano seriamente la sicurezza e la durata delle celle.

Un elettrolita non infiammabile

In uno studio appena pubblicato di Nature Sustainability, un team di scienziati ha avuto l’idea di sostituire l’elettrolita con dei materiali presenti negli estintori o nelle applicazioni di pulizia. Durante lo sviluppo di questo elettrolita, gli scienziati hanno escluso i noti solventi organici ritardanti di fiamma come il fluoro e il fosforo, perché sono relativamente costosi e dannosi per l'ambiente e hanno adattato i refrigeranti commerciali a prezzi accessibili in modo che possano essere utilizzati come elettroliti nelle batterie ricaricabili.

Introducendo un liquido fluorurato stabile, sicuro e meno costoso e un solvente non polare, noti sul mercato rispettivamente come fluido refrigerante Novec 7300 e Daikin-T5216. Sono sostanze che hanno proprietà ritardanti di fiamma, nonché bassa tossicità e basso impatto sul pianeta. La formula si compone di altri prodotti chimici per migliorare la durata delle batterie agli ioni di metalli alcalini.

Delle celle dalle capacità notevoli

L'elettrolita ha i requisiti sia in termini di sicurezza che prestazioni, dichiara il team di scienziati, le celle prodotte in laboratorio sono in grado di trasferire il calore all'esterno dei moduli e di estinguere gli incendi che s’innescano internamente. Sono state inoltre sottoposte a un test di penetrazione, un approccio comunemente utilizzato per valutare il livello di sicurezza delle batterie al litio. Il team ha piantato un chiodo di acciaio inossidabile nelle celle cariche, queste hanno resistito all'impatto senza prendere fuoco.

Riepilogo dello studio

"L'elettrolita formulato, con eccellente stabilità chimica e termica, non è infiammabile e funziona in un ampio intervallo di temperature di esercizio, da -75 a 80 °C. Se montata su batterie al metallo di potassio, la cella K||K mantiene i cicli per >12 mesi e la cella K||in grafite conserva il 93% della sua capacità iniziale dopo 2.400 cicli. Anche in una cella agli ioni di litio 18650 in condizioni difficili (N/P = 1,08, E/C = 3,0 g Ah-1), la ritenzione di capacità raggiunge il 96,7% dopo più di 200 cicli. Insieme al suo basso costo, l’attuale formulazione suggerisce un nuovo spazio nella progettazione degli elettroliti in cui quasi tutti i fattori importanti per la sostenibilità della batteria possono essere ben bilanciati."

Conclusione

Celle che possono essere facilmente integrate con le attuali linee di produzione di pacchi batteria, micro-estintori che agiscono direttamente dove si presenta un eventuale rischio di fuga termica. Se l’industria accoglierà le nuove soluzioni, saranno in grado di produrre pacchi batteria agli ioni di litio non infiammabili utilizzando gli impianti esistenti.

Nuove invenzioni hanno il potenziale di rendere le batterie agli ioni di litio più sicure ai rischi di surriscaldamento e fuga termica

Qual'è la vostra opinione rispetto alla sicurezza agli incendi delle auto elettriche?

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