Oggi, diverse case automobilistiche utilizzano su larga scala batterie al litio nelle batterie di potenza, e la densità energetica è in costante aumento, ma permangono dubbi sulla sicurezza di queste batterie, e la soluzione a questo problema non è ancora del tutto efficace. La reazione termica incontrollata (thermal runaway) è il principale oggetto di ricerca in materia di sicurezza delle batterie di potenza e merita di essere approfondita.
Innanzitutto, cerchiamo di capire cos'è la fuga termica. La fuga termica è un fenomeno a catena innescato da diversi fattori, che provoca l'emissione di una grande quantità di calore e gas nocivi dalla batteria in un breve lasso di tempo, che nei casi più gravi può persino causare l'incendio e l'esplosione della batteria stessa. Le cause della fuga termica sono molteplici, tra cui surriscaldamento, sovraccarico, cortocircuito interno, collisioni, ecc. Spesso, la fuga termica della batteria inizia con la decomposizione del film SEI negativo nella cella, seguita dalla decomposizione e fusione del diaframma, con conseguente danneggiamento dell'elettrodo negativo e dell'elettrolita, e successivamente della parte positiva e dell'elettrolita. Questo innesca un cortocircuito interno su larga scala, che provoca la combustione dell'elettrolita, propagandosi poi alle altre celle e dando luogo a una grave fuga termica, con conseguente autocombustione dell'intero pacco batteria.
Le cause dell'instabilità termica incontrollata possono essere suddivise in cause interne ed esterne. Le cause interne sono spesso dovute a cortocircuiti interni; le cause esterne sono dovute a malfunzionamenti meccanici, elettrici, termici, ecc.
Un cortocircuito interno, ovvero un contatto diretto tra i terminali positivo e negativo della batteria, varia notevolmente per entità del contatto e per la conseguente reazione innescata. Solitamente, un cortocircuito interno di grande entità, causato da sollecitazioni meccaniche e termiche eccessive, innesca direttamente una reazione a catena termica. Al contrario, i cortocircuiti interni che si sviluppano spontaneamente sono relativamente lievi e il calore generato è così ridotto da non innescare immediatamente una reazione a catena termica. L'auto-sviluppo interno è comunemente dovuto a difetti di fabbricazione, al deterioramento di varie proprietà causato dall'invecchiamento della batteria, come l'aumento della resistenza interna, ai depositi di litio metallico dovuti a un uso improprio prolungato e moderato, ecc. Con il passare del tempo, il rischio di cortocircuiti interni causati da tali fattori interni aumenterà gradualmente.
Il danneggiamento meccanico si riferisce alla deformazione del monomero e del pacco batteria al litio sotto l'azione di una forza esterna e allo spostamento relativo delle diverse parti. Le principali forme di danneggiamento delle celle elettriche includono urti, schiacciamenti e perforazioni. Ad esempio, un oggetto estraneo urtato da un veicolo ad alta velocità può causare il collasso del diaframma interno della batteria, che a sua volta provoca un cortocircuito al suo interno e innesca un'autocombustione in breve tempo.
L'abuso elettrico delle batterie al litio generalmente include cortocircuiti esterni, sovraccarico e scarica eccessiva, in diverse forme, che possono facilmente evolvere in una reazione termica incontrollata a causa del sovraccarico. Un cortocircuito esterno si verifica quando due conduttori con pressione differenziale vengono collegati all'esterno della cella. I cortocircuiti esterni nei pacchi batteria possono essere dovuti a deformazioni causate da collisioni con veicoli, immersione in acqua, contaminazione dei conduttori o scosse elettriche durante la manutenzione. In genere, il calore rilasciato da un cortocircuito esterno non riscalda la batteria come nel caso di una perforazione. Il collegamento fondamentale tra un cortocircuito esterno e la reazione termica incontrollata è il raggiungimento della temperatura di surriscaldamento. È quando il calore generato dal cortocircuito esterno non può essere dissipato adeguatamente che la temperatura della batteria aumenta e l'alta temperatura innesca la reazione termica incontrollata. Pertanto, interrompere la corrente di cortocircuito o dissipare il calore in eccesso sono modi per impedire che il cortocircuito esterno causi ulteriori danni. Il sovraccarico, a causa dell'elevata quantità di energia che comporta, è uno dei maggiori pericoli derivanti da un abuso elettrico. La generazione di calore e gas sono due caratteristiche comuni del processo di sovraccarico. La generazione di calore deriva dal calore ohmico e dalle reazioni collaterali. In primo luogo, sulla superficie dell'anodo si formano dendriti di litio a causa dell'eccessivo inglobamento di litio.
Misure di protezione contro il surriscaldamento incontrollato:
Nella fase di calore autogenerato per inibire la fuga termica del nucleo, abbiamo due opzioni: una è migliorare e aggiornare il materiale del nucleo, poiché l'essenza della fuga termica risiede principalmente nella stabilità dei materiali degli elettrodi positivo e negativo e dell'elettrolita. In futuro, dovremo anche realizzare progressi più significativi nel rivestimento del materiale catodico, nella modifica, nella compatibilità dell'elettrolita omogeneo e dell'elettrodo e nel miglioramento della conduttività termica del nucleo. Oppure scegliere un elettrolita ad alta sicurezza che svolga l'effetto ritardante di fiamma. In secondo luogo, è necessario adottare soluzioni efficienti di gestione termica (Riscaldatore del liquido di raffreddamento PTC/ Riscaldatore ad aria PTC) dall'esterno per sopprimere l'aumento di temperatura della batteria agli ioni di litio, in modo da garantire che il film SEI della cella non raggiunga la temperatura di dissoluzione e, naturalmente, che non si verifichi un'instabilità termica.
Data di pubblicazione: 17 marzo 2023
