Accumulatore agli ioni di litio e rischio incendio: facciamo chiarezza con gli esperti di Flash Battery

Negli ultimi anni è successo diverse volte di vedere le batterie al litio protagoniste della cronaca come causa di incendi ed esplosioni.
Ma cosa c’è di vero in tutto questo? Gli accumulatori agli ioni di litio sono pericolosi, oppure il ragionamento è un po’ più ampio?

Un’analisi leggermente più approfondita dei titoli ad impatto collegati ai fatti di cronaca, lascia intuire un’altra storia, fatta di una tecnologia nuova e ancora non molto conosciuta, sulla quale si sta ancora sperimentando e soprattutto vi è poca chiarezza.

Per farci un’idea più approfondita ci siamo rivolti a chi di batterie al litio se ne intende: Marco Righi

Marco Righi, che tutti conoscono come CEO di Flash Battery, non è solo un imprenditore stimato, ma è anche un profondo conoscitore della materia e, nonostante la giovane età (35 anni), ha già molta esperienza sul campo. Fin da giovanissimo, infatti, nell’azienda paterna famosa in tutto il mondo per i carica-batteria ad alta frequenza che produce, ha potuto avvicinarci al mondo dell’elettronica prima per passione poi per lavoro.

Il passaggio è stato breve e questo gli ha permesso di dedicarsi allo studio e progettazione di un’elettronica evoluta che potesse portare nelle batterie al litio un’innovazione in tutte le applicazioni industriali. Oggi tutto questo è realtà ed è all’interno della tecnologia Flash Battery.

Con lui cerchiamo di capire quanto sia importante  realizzare  una batteria sicura,  a partire da progettazione fatta su misura in ogni singolo passaggio.

I fatti di cronaca: è davvero sempre colpa del litio?

All’inizio del 2020 una nave che trasportava un container carico di batterie al litio ha preso fuoco. Tali batterie però sembra non fossero state dichiarate all’imbarco e di conseguenza possiamo pensare che non fossero stoccate secondo le norme di sicurezza previste. Inoltre, vista la clandestinità del carico, viene da farsi qualche domanda anche sulla sua qualità.

Altro caso vede l’incendio di un autocarro in autostrada. A prendere fuoco è un pacco di batterie al litio… montate al posto delle classiche. Anche questo caso fa pensare che l’installazione potrebbe non essere avvenuta nella maniera corretta, se non addirittura che quelle batterie non fossero proprio adatte all’uso a cui erano state destinate.

Di scoppi e incendi si sente parlare anche per le batterie dei dispositivi più piccoli, come smartphone e monopattini.

Anche Boeing ha avuto problemi con il lito e non è certo un’azienda improvvisata.

Perché le batterie al litio possono prendere fuoco?

Come abbiamo visto dagli esempi sopra citati può accadere, ma dietro a questi disastri c’è sempre una causa, per la maggiore derivante da una chimica non sicura, un’assemblaggio inadeguato o un’elettronica inefficiente.

Marco Righi ci ha spiegato che “sono 3 i fattori da tenere sotto controllo per ottenere una batteria al litio sicura: deve avere la chimica giusta, deve essere assemblata correttamente, deve essere dotata di un’elettronica di controllo”.

Approfondiamo di seguito questi 3 aspetti.

La giusta chimica delle batterie al litio

La sicurezza intrinseca della chimica e i cicli vita della batteria stessa sono i due parametri fondamentali da tenere in considerazione nel momento in cui si va a scegliere la tipologia di chimica per l’applicazione.

Flash Battery sceglie la chimica LiFePo4 per le applicazioni industriali e dei veicoli elettrici in quanto è la chimica più sicura e stabile che si possa reperire sul mercato garantendo oltre 4000 cicli di vita.

“Le chimiche più utilizzate nell’industria  sono:

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

Il nostro obiettivo – spiega Righi – è identificare la chimica più sicura per il mezzo del cliente. I nostri tecnici del comparto ricerca e sviluppo non si limitano allo studio teorico delle chimiche, ma effettuano anche diversi test per “stressare” le batterie e sperimentare migliorie. Uno dei test effettuati è il Nail Penetration Test (o Test Di Perforazione) che consiste nel perforare una batteria con un chiodo simulando un cortocircuito interno. Il cortocircuito interno è la peggior cosa che può succedere ad una batteria. Chiaramente sono test che vengono effettuati in laboratorio, in condizioni controllate e di sicurezza, da non ripetere in nessun’altra condizione.
Questo test simula la peggior cosa che può capitare a una batteria, e ci fa capire come la batteria reagisce nel caso nel caso in cui si verifichi un corto circuito interno: come si vede dal video la diversa tipologia di chimica e di elettronica può scaturire differenti conseguenze.

In questo test vediamo il 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”.

L’assemblaggio

L’assemblaggio delle celle è proprio il secondo elemento, dopo la chimica, a determinare la sicurezza della batteria al litio.
Il principio è che, minore è il numero di celle in parallelo assemblate in una batteria, maggiore è la sicurezza.

Ci spiega meglio questo passaggio ancora una volta Righi con un esempio: “Quando le batterie al litio vengono assemblate con celle di piccola taglia, bisogna inserire 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, le celle in parallelo necessarie sono solo 8. Quindi, se una di queste celle dovesse andare in corto, nel primo caso si troverebbe ad assorbire 130 volte la sua capacità, nel secondo caso 8 volte.
Le Flash Battery vengono realizzate con al massimo 4 celle in parallelo. Secondo i nostri studi e test, è la conformazione migliore nella quale le nostre batterie possono garantire sicurezza in ogni situazione”.

Focus celle

Visto che abbiamo parlato di celle, approfittiamo per un breve approfondimento.
Le celle possono essere di 3 tipi:

CELLE CILINDRICHE
Hanno principalmente due vantaggi: scocca resistente e possibilità di cambiare la chimica senza cambiare la meccanica. Non riescono però ad avere alte capacità, arrivano al massimo a 3Ah. Questo comporta la necessità di mettere molte celle in parallelo nell’assemblaggio della batteria, con le criticità di cui abbiamo parlato al punto precedente.
Inoltre, in caso di malfunzionamento, non è possibile sostituire una singola cella, bisogna sostituire l’intero modulo, intervento più impegnativo.

CELLE A SACCHETTO
Queste celle sono caratterizzate da alta densità energetica e basso costo dell’involucro. L’involucro però è anche molto delicato, si potrebbe infatti danneggiare molto facilmente quindi, nella progettazione, bisogna fare in modo che la batteria sia al sicuro da vibrazioni, schiacciamenti e deformazioni.
Anche in questo caso, il malfunzionamento di una cella implica la sostituzione dell’intero modulo.

CELLE PRISMATICHE
Le celle prismatiche sono quelle utilizzate per le batterie al litio nel settore industriale e nell’automotive, è il formato più adatto per realizzare pacchi batterie con dimensioni medio-grandi.
Sono caratterizzate da un contenitore molto resistente (in plastica o alluminio), i singoli elementi possono arrivare ad avere una capacità molto elevata (con conseguenza positive sulla sicurezza) ed è anche possibile sostituire, se necessario, un solo elemento.

Elettronica di controllo

Come abbiamo visto fino a qui, la cosa principale da evitare per la sicurezza di una batteria al litio, è il surriscaldamento.
Monitorare la temperatura interna della batteria è quindi importantissimo.

L’elettronica di controllo (il BMS) tra le altre cose serve proprio a questo: monitorare la tensione e la temperatura delle singole celle, dialogare con il veicolo che ospita la batteria e con il carica batterie, per bloccare carica e scarica in caso di criticità ed intervenire sui teleruttori generali.

Ma non basta controllare, bisogna anche controllare in modo efficiente e nei punti giusti. Quello che fa la differenza tra i produttori di batterie al litio è come questa elettronica di controllo funziona.

“Mi è capitato più volte – ci ha spiegato Righi – di vedere batterie di altri produttori sul mercato in cui i poli delle celle si erano fusi per un problema di contattazione ed il sistema elettronico non era stato in grado di accorgersene e mettere in sicurezza il pacco.
Flash Battery è nata per risolvere le criticità presenti proprio nell’elettronica che limitavano l’affidabilità e la sicurezza nelle batterie al litio. È proprio questo il punto da cui siamo partiti, su cui abbiamo la maggiore esperienza e che più abbiamo approfondito. La misurazione della temperatura deve essere fatta in maniera diffusa e nei punti giusti, in modo da verificare anche le resistenze di contatto. Per questo nelle batterie Flash Battery ci sono due sensori di temperatura su ogni cella”.

In quanto a monitoraggio Flash Battery ha un vero e proprio centro di controllo: il Flash Data Center da cui tiene sotto costante osservazione tutte le sue batterie, accorgendosi di ogni minima variazione, in modo da prevenire ogni criticità.

…ecco perché può vantare il suo primato di 8.000 batterie installate nel mondo senza incidenti: perché conosce profondamente la materia, cura il prodotto e assicura ai clienti sogni tranquilli.