Energia
Rivalutare la Sicurezza e i Rischi Associati delle Batterie al Litio – Sono gli Elettroliti Gel la Soluzione?
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La domanda di batterie agli ioni di litio è destinata ad aumentare a un ritmo fenomenale. Le stime prevedono che tra il 2022 e il 2030, la domanda globale di queste batterie aumenterà fino a sette volte, raggiungendo 4,7 terawattora.
La domanda è guidata dall’ampio utilizzo di queste batterie in elettronica portatile e stoccaggio di energia, inclusi i veicoli elettrici. Tuttavia, queste batterie non sono prive di rischi. Sono vulnerabili a incendi ed esplosioni.
Una soluzione a queste vulnerabilità prevede le batterie semi-solide. Riducono i rischi trovando un punto intermedio tra le tradizionali batterie agli ioni di litio con elettroliti liquidi e le batterie allo stato solido.
Un elettrolita simile a un gel, usato come componente, aiuta queste batterie a ottenere una maggiore stabilità e una vita più lunga. Tuttavia, questi elettroliti gel, a causa del loro prolungato trattamento termico ad alte temperature, possono subire una notevole degradazione, risultando in prestazioni ridotte e costi di produzione aumentati. Il processo di fabbricazione di queste batterie affronta anche una sfida dovuta alla resistenza all’interfaccia tra l’elettrolita semi-solido e l’elettrodo.
Recentemente, il Professor Soojin Park, Seoha Nam, candidato dottorato, e la Dott.ssa Hye Bin Son, ricercatrice del Dipartimento di Chimica della Pohang University of Science and Technology (POSTECH), hanno ideato modi praticabili per affrontare queste sfide creando una batteria basata su elettrolita gel stabile e commercialmente realizzabile.
Nella prossima sezione, approfondiremo la comprensione del meccanismo della batteria.
Elettrolita Gel Sicuro e Commercialmente Realizzabile per Batterie al Litio
Affrontando le sfide degli elettroliti degradati, delle prestazioni ridotte e dei costi in aumento, il team di ricercatori ha sfruttato un additivo bifunzionale reticolabile (CIA) e dipentaeritritolo esacrilato (DPH) con la tecnologia a fascio di elettroni (e-beam).
I ricercatori hanno seguito un percorso diverso rispetto al processo di produzione convenzionale, che prevedeva la preparazione dell’elettrodo, l’iniezione dell’elettrolita, l’assemblaggio, l’attivazione e la degasatura.
Invece, hanno potenziato la duplice funzionalità del DPH introducendo un ulteriore passo di irradiazione e-beam dopo il processo di degasatura. Nel frattempo, il CIA ha funzionato sia come additivo per facilitare un’interfaccia stabile tra le superfici dell’anodo e del catodo durante l’attivazione, sia come reticolante per formare una struttura polimerica durante il processo di irradiazione e-beam.
La soluzione risultante ha potuto ridurre notevolmente la generazione di gas dalle reazioni secondarie della batteria durante i processi di carica e scarica iniziali. La diminuzione è stata fino a 25,5 volte rispetto alle batterie convenzionali. La soluzione ha anche potuto mantenere stabilmente la resistenza interfaciale grazie alla forte compatibilità tra elettrodi e l’elettrolita gel.
However, the researchers did not stop at these achievements. They went on to develop a high-capacity battery of 1.2 ampere-hours, which was tested at a temperature of 55 degrees Celsius—a temperature at which electrolytes begin to decompose. At 55 degrees Celsius and above, conventional batteries that use electrolytes experience significant capacity reduction and swelling after 50 cycles.
La nuova batteria, invece, è stata in grado di mantenere una capacità di 1 ampereora anche dopo 200 cicli senza generare gas e ha dimostrato standard di sicurezza e durata migliorati.
Mentre spiegava l’utilità della scoperta scientifica, il Professor Soojin Park di POSTECH ha dichiarato:
“Questo risultato in termini di stabilità e fattibilità commerciale è destinato a rappresentare una svolta nell’industria dei veicoli elettrici. Speriamo che questo progresso avvantaggi notevolmente non solo i veicoli elettrici, ma anche una vasta gamma di altre applicazioni che dipendono dalle batterie agli ioni di litio.”
Nei segmenti seguenti, esamineremo brevemente alcune di queste applicazioni delle batterie agli ioni di litio.
L’Applicazione delle Batterie al Litio Sicure
Sebbene abbiano recentemente attirato l’attenzione per il loro utilizzo nei veicoli elettrici, le batterie agli ioni di litio sono anche utilizzate in modo sicuro in una vasta gamma di altre applicazioni. Diverse di queste applicazioni sono parti integranti della nostra vita quotidiana, richiedendo fattibilità commerciale e robustezza. Per esempio, le batterie al litio ricaricabili sono comuni nei pacemaker e devono alimentare il dispositivo per una durata tipica di sette-otto anni mantenendo il peso inferiore a 30 grammi.
Le fotocamere digitali, in particolare le DSLR, si affidano alle batterie agli ioni di litio per le loro dimensioni compatte e l’alta capacità di potenza, offrendo prestazioni superiori rispetto ad altri tipi di batterie. Allo stesso modo, assistenti digitali, smartphone e laptop dipendono da queste batterie sicure e affidabili per la loro durata, alta densità energetica, costruzione leggera, facile ricarica e manutenzione a basso costo.
Inoltre, piccole batterie Li-ion con capacità di 3 volt sono utilizzate in dispositivi piccoli come gli orologi, che possono durare fino a un decennio. Queste batterie alimentano anche soluzioni di mobilità come monopattini personali, golf cart e carrelli, grazie alla loro capacità di immagazzinare e rilasciare energia elettrica in modo efficiente. Questa capacità le rende ideali per applicazioni come sistemi UPS, backup di energia di emergenza e stoccaggio di energia solare. Inoltre, sono sempre più impiegate in settori emergenti come veicoli marini e da tempo libero, nonché dispositivi medici portatili progettati per essere indossabili.
L’adozione crescente delle batterie al litio ha spinto un aumento della loro produzione e fabbricazione. Tuttavia, è fondamentale che questi processi siano sicuri e fattibili quanto le batterie stesse. Questa preoccupazione è sottolineata dal recente tragico incendio in una struttura sudcoreana di batterie al litio, che ha provocato la morte di 22 lavoratori.
Incendio in una Struttura Sudcoreana di Batterie al Litio
On June 24th, a devastating fire broke out at a lithium battery factory in South Korea, caused by multiple battery explosions, resulting in the death of 22 workers. The facility, operated by the primary battery manufacturer Aricell, is located in Hwaseong, an industrial area southwest of Seoul.
Shortly after the fire started, toxic gas quickly spread throughout the factory, which was storing up to 35,000 batteries at the time. Explaining the possible reason why the fire became as fatal as it did, Kim Jae-ho, a Fire and Disaster Prevention professor at Daejeon University, had the following to say:
“Materiali delle batterie come il nichel sono facilmente infiammabili. Spesso, non c’è abbastanza tempo per reagire, rispetto a un incendio causato da altri materiali.”
Gli esperti hanno anche sottolineato che il numero di vittime è stato più elevato a causa dei materiali tossici utilizzati e non tanto per le ustioni.
Sono Tali Incidenti Prevenibili?
Bisogna sempre essere cauti quando si maneggiano batterie agli ioni di litio, poiché hanno la più alta densità energetica volumetrica tra i dispositivi di accumulo di energia. L’Occupational Safety and Health Administration (OSHA) ha pubblicato istruzioni dettagliate per prevenire incendi e lesioni da esplosioni nei dispositivi piccoli e indossabili alimentati da batterie al litio.
Il Massachusetts Institute of Technology, uno dei più rinomati istituti di formazione tecnologica al mondo, ha anche pubblicato la Guida alla Sicurezza delle Batterie agli Ioni di Litio. Secondo le loro istruzioni, qualsiasi area di lavoro che manipola queste batterie deve avere superfici realizzate con materiali non conduttivi e ignifughi.
Se è necessario lavorare su una superficie conduttiva, è consigliato coprirla con un materiale isolante. Inoltre, l’area dovrebbe essere priva di materiali infiammabili o combustibili come tavoli di legno, tappeti, benzina o oggetti appuntiti che potrebbero perforare la guaina isolante delle celle. Le temperature operative ottimali sono tra 15 e 35 gradi Celsius, e la temperatura ambientale non dovrebbe mai superare i 60 gradi.
Una corretta conservazione svolge un ruolo fondamentale nella riduzione del rischio di incendi ed esplosioni. Il rapporto collega molti incendi di batterie agli ioni di litio a aree di stoccaggio inadeguate. Per mantenere i più alti standard di sicurezza, l’area di stoccaggio deve considerare fattori come il design delle celle, la chimica, la temperatura, lo stato di carica e la durata del periodo di conservazione.
Le unità di produzione di batterie devono adottare misure di sicurezza rigorose, poiché gli incendi nelle strutture di batterie al litio possono essere catastrofici non solo a causa dell’incendio stesso, ma anche per la tossicità risultante.
Mentre la sicurezza nella produzione può essere costantemente migliorata, le batterie devono anche essere intrinsecamente sicure. Alcune aziende hanno investito costantemente nella produzione di batterie al litio sicure. Nei segmenti successivi, esamineremo tali aziende.
#1. Batterie agli Ioni di Litio di Panasonic Energy
Panasonic è dedicata a garantire la sicurezza delle batterie man mano che le capacità aumentano e si concentra sullo sviluppo di materiali avanzati per batterie, sul perfezionamento dei processi e sulla creazione di tecnologie di controllo per garantire un uso sicuro e affidabile delle batterie.
Le sue batterie hanno un alto livello di capacità di resistenza alla temperatura, poiché il rischio di esplosione aumenta quando le batterie vengono riscaldate sopra i 100 gradi Celsius. Tuttavia, Panasonic riconosce che l’impilamento o l’accumulo di batterie può causare cortocircuiti esterni, generazione di calore, incendi o esplosioni.
L’azienda segue rigide linee guida per la manipolazione e lo stoccaggio, non consentendo che i terminali delle batterie entrino in contatto tra loro o con altri metalli durante l’imballaggio. Utilizza materiali di imballaggio robusti per proteggere i prodotti da vibrazioni, impatti, cadute e impilamenti durante il trasporto. Panasonic raccomanda inoltre di conservare le batterie a temperatura ambiente e di caricarle fino a circa il 30-50% della capacità.
Produce una gamma di prodotti di batterie al litio, inclusi batterie cilindriche, batterie prismatiche, batterie a sacchetto e batterie a spina.
Secondo il suo ultimo rapporto integrato disponibile per il gruppo, l’azienda ha registrato un fatturato di 8.378,9 miliardi di yen nel 2023.
#2. LG Energy Solutions
LG Energy Solutions è un altro marchio globale leader che opera secondo linee guida ben definite per la produzione dei suoi pacchi di batterie Li-ion. Vietano l’uso di celle di batterie agli ioni di litio che hanno subito cadute per la produzione dei pacchi.
Per prevenire cortocircuiti elettrici, le celle di batterie agli ioni di litio dovrebbero essere tenute lontane da oggetti metallici e manipolate in ambienti che prevengono danni o contaminazioni.
Inoltre, la saldatura non dovrebbe essere effettuata direttamente sulla superficie delle celle di batterie agli ioni di litio, e le celle non dovrebbero essere esposte a calore intenso o pressione durante il processo di saldatura.
Nel 2023, LG ha registrato un volume di vendite di 84.228 miliardi di KRW, un aumento incrementale rispetto ai 83.467 miliardi di KRW del 2022, ma un incremento significativo rispetto ai 73.908 miliardi di KRW del 2021.
Preoccupazioni sulla Sicurezza delle Batterie agli Ioni di Litio: Una Revisione Completa
La ricerca che ha investigato ampiamente le preoccupazioni sulla sicurezza delle batterie Li-ion ha evidenziato diversi potenziali problemi che potrebbero emergere come minacce o rischi.
Le runaway termiche, tra i problemi di sicurezza più dannosi nelle batterie Li-ion, derivano da reazioni secondarie. Queste reazioni possono verificarsi all’interno dell’elettrolita, tra catodo e anodo, e alle interfacce sulle superfici degli elettrodi e sulla placcatura di litio. Tali runaway sono spesso innescate da abusi meccanici, termici o elettrici.
L’abuso meccanico può portare a problemi di sicurezza nelle batterie Li-ion, così come l’abuso elettrico può compromettere la loro integrità. Allo stesso modo, l’abuso termico, in cui una batteria subisce uno shock termico o raggiunge temperature eccessivamente elevate, comporta rischi significativi.
La ricerca delinea anche strategie per migliorare la sicurezza, sia internamente che esternamente. Un elemento cruciale per migliorare la sicurezza delle batterie Li-ion (LIB) è un sistema di raffreddamento integrato ben progettato. Inoltre, mantenere il giusto equilibrio tra le celle è essenziale; ciò comporta la misurazione e il confronto delle tensioni, capacità o Stato di Carica (SOC) di tutte le celle dopo ogni ciclo di carica.
I produttori possono seguire diversi quadri di riferimento per garantire la sicurezza della produzione. Infatti, numerosi paesi hanno già pubblicato tali standard, tra cui lo Standard Cinese, lo standard della Society of Automotive Engineers (SAE), lo standard della International Electrotechnical Commission (IEC), lo standard delle Nazioni Unite (UN), lo standard giapponese (JIS) e altri.
Nel complesso, viviamo in un’epoca dominata dai dispositivi elettronici, che porta a una dipendenza sempre crescente dalle batterie al litio. Mentre perseguiamo una maggiore efficienza e velocità nelle nostre tecnologie, dobbiamo garantire che la sicurezza rimanga una priorità. Il recente incidente in Corea del Sud serve come un chiaro promemoria dell’importanza di questo equilibrio, sottolineando la necessità di prevenire tali sfortunate vicende in futuro.
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