Rivalutare la Sicurezza e i Rischi Associati delle Batterie al Litio – Sono gli Elettroliti Gel la Soluzione?

La domanda di batterie agli ioni di litio potrebbe crescere rapidamente. Secondo le previsioni per il periodo 2022–2030, la domanda globale potrebbe aumentare di circa sette volte, fino a 4,7 terawattora. Si tratta di una previsione, non di un risultato già raggiunto.

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 possibile risposta ad alcuni di questi rischi è rappresentata dalle batterie semisolide, una soluzione intermedia tra le batterie con elettrolita liquido e le batterie allo stato solido. 

Gli elettroliti gel possono migliorare stabilità e durata, ma alcuni processi di reticolazione richiedono trattamenti termici prolungati che degradano i materiali. Anche la resistenza all’interfaccia tra elettrolita ed elettrodi può limitare le prestazioni.

Nel giugno 2024, il gruppo di Soojin Park alla POSTECH, con Seo Ha Nam e Hye Bin Son, ha presentato un elettrolita gel progettato per migliorare stabilità e compatibilità con la produzione esistente. La ricerca indica un potenziale industriale, senza dimostrare la sicurezza assoluta di ogni futura applicazione.

Nella prossima sezione, approfondiremo la comprensione del meccanismo della batteria.

Un elettrolita gel più stabile e compatibile con la produzione industriale

Il gruppo ha utilizzato il dipentaeritritolo esacrilato (DPH) come additivo reticolabile bifunzionale, indicato nello studio con la sigla CIA, insieme all’irradiazione con fascio di elettroni. DPH e CIA non indicano due additivi separati.

Il processo conserva le fasi convenzionali di preparazione degli elettrodi, iniezione dell’elettrolita, assemblaggio, attivazione e degasaggio, aggiungendo una fase di irradiazione dopo il degasaggio.

Durante l’attivazione, l’additivo favorisce interfacce stabili sugli elettrodi. Durante l’irradiazione, svolge invece la funzione di reticolante e contribuisce a formare la struttura polimerica del gel.

Nei test iniziali, la generazione di gas dovuta a reazioni secondarie è diminuita di un fattore 2,5 rispetto alle celle convenzionali, non di 25,5 volte. La compatibilità tra elettrodi ed elettrolita ha inoltre contribuito a contenere la resistenza interfaciale.

Il gruppo ha realizzato una cella a sacchetto da 1,2 amperora e l’ha sottoposta a cicli a 55 °C, una condizione che accelera la degradazione dell’elettrolita. Nelle condizioni del confronto, le celle convenzionali hanno mostrato perdita di capacità e rigonfiamento dopo 50 cicli.

La nuova cella ha mantenuto circa 1 amperora dopo 200 cicli, senza generazione di gas osservata nel test. Sono risultati sperimentali promettenti, riferiti alle condizioni e alle celle studiate.

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. 

Applicazioni e differenze tra le batterie al litio

Le batterie agli ioni di litio ricaricabili alimentano veicoli elettrici e molti dispositivi portatili. Non vanno confuse con tutte le altre batterie al litio: nei pacemaker impiantabili sono comuni batterie primarie, non ricaricabili, progettate per durare anni. Durata, massa e requisiti di sicurezza dipendono dal dispositivo.

Fotocamere digitali, smartphone e computer portatili utilizzano frequentemente batterie agli ioni di litio per la densità energetica, il peso contenuto e la possibilità di ricarica. Prestazioni e sicurezza dipendono anche da progettazione, caricatore e condizioni d’uso.

Le pile al litio da circa 3 volt usate in molti orologi sono spesso primarie, non batterie agli ioni di litio ricaricabili. Il volt misura la tensione, non la capacità. Le batterie ricaricabili agli ioni di litio trovano invece impiego anche in micromobilità, sistemi di continuità, accumulo solare e dispositivi medici portatili, con requisiti specifici per ciascuna applicazione.

La crescita della produzione rende essenziale anche la sicurezza degli stabilimenti. L’incendio del 24 giugno 2024 nella fabbrica sudcoreana Aricell ha causato 23 morti. Lo stabilimento produceva batterie primarie al litio: il caso non riguarda esclusivamente le batterie agli ioni di litio ricaricabili.
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L’incendio nella fabbrica sudcoreana Aricell

Il 24 giugno 2024 un incendio ha colpito lo stabilimento Aricell a Hwaseong, a sud-ovest di Seul. Il bilancio finale è stato di 23 vittime. La presenza di numerose batterie e il rapido sviluppo di fumi hanno reso l’emergenza particolarmente grave.

Per comprenderne le cause occorre distinguere la chimica delle batterie coinvolte, le condizioni di stoccaggio e le misure di prevenzione e di evacuazione.

I rischi non possono essere attribuiti genericamente al nichel: le batterie al litio impiegano materiali e chimiche differenti, con comportamenti diversi in caso di incendio. La rapidità di propagazione e i fumi pericolosi richiedono misure specifiche.

Il fumo e i prodotti di decomposizione possono aggiungere gravi rischi all’esposizione al calore. L’attribuzione delle cause dei decessi richiede gli accertamenti dell’indagine e non può essere dedotta dalla sola categoria di batteria.

Come ridurre il rischio di incidenti

Le batterie agli ioni di litio richiedono attenzione anche per la loro elevata densità energetica. Le indicazioni OSHA sui dispositivi piccoli e indossabili affrontano la prevenzione di incendi, esplosioni e lesioni. Un’elevata densità energetica non implica che le celle siano sempre pericolose o che abbiano il valore più alto fra tutti i sistemi di accumulo.

Il Massachusetts Institute of Technology ha pubblicato anche una guida alla sicurezza delle batterie al litio. La guida raccomanda superfici di lavoro non conduttive e resistenti al fuoco per le attività che comportano la manipolazione di celle.

Una superficie conduttiva richiede un rivestimento isolante adeguato. Vanno evitati materiali combustibili e oggetti appuntiti che possano danneggiare le celle. La guida MIT indica 15–35 °C come intervallo ottimale; i limiti effettivi di uso e conservazione devono essere quelli del produttore della specifica batteria.

La conservazione deve tenere conto della chimica, della progettazione delle celle, della temperatura, dello stato di carica e della durata prevista. Un imballaggio adatto e la protezione dei terminali aiutano a prevenire cortocircuiti e danni.

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, la sicurezza del prodotto richiede progettazione, controlli e uso appropriati. Le indicazioni dei produttori vanno applicate ai prodotti cui si riferiscono.

#1. Batterie agli Ioni di Litio di Panasonic Energy

Panasonic sviluppa materiali, processi e sistemi di controllo per migliorare la sicurezza delle batterie. Ciò non elimina la necessità di rispettare le istruzioni del singolo prodotto.

La scheda di sicurezza delle microbatterie Panasonic a forma di spillo avverte dei rischi quando le celle vengono riscaldate oltre 100 °C. Questa avvertenza non garantisce che ogni batteria Panasonic sia sicura sotto tale temperatura. Impilare celle senza protezione dei terminali può inoltre provocare cortocircuiti, surriscaldamento e incendi.

L’azienda segue rigide linee guida per la manipolazione e lo stoccaggio. La scheda richiede la protezione dei terminali e imballaggi adeguati al trasporto. Per le microbatterie cui si riferisce, raccomanda conservazione a temperatura ambiente e uno stato di carica del 30–50%. Queste condizioni non vanno estese automaticamente a tutte le batterie al litio.

La gamma comprende diversi formati, fra cui celle cilindriche, prismatiche, a sacchetto e microbatterie a forma di spillo. Quest’ultimo formato non indica una batteria dotata di spina elettrica.

Il gruppo Panasonic ha registrato ricavi per 8.378,9 miliardi di yen nell’esercizio concluso il 31 marzo 2023. Il dato riguarda l’intero gruppo, non soltanto Panasonic Energy e non l’anno solare 2023.

#2. LG Energy Solution

LG Energy Solution produce celle e sistemi agli ioni di litio e pubblica indicazioni per la loro manipolazione. Celle cadute o danneggiate richiedono valutazione secondo le istruzioni del produttore prima dell’eventuale impiego in un pacco batteria.

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 Energy Solution ha registrato ricavi per 33.700 miliardi di won sudcoreani, in crescita del 31,8% rispetto al 2022. Il dato si riferisce alla società di batterie LG Energy Solution.

Sicurezza delle batterie agli ioni di litio: una panoramica

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. 

La fuga termica è un aumento incontrollato della temperatura alimentato da reazioni che generano calore. Può coinvolgere elettrolita, materiali degli elettrodi e interfacce interne. Danni meccanici, uso elettrico improprio e temperature eccessive possono favorirne l’innesco.

Urti, schiacciamenti o perforazioni possono danneggiare la cella. Cortocircuiti, sovraccarica e condizioni termiche fuori specifica possono inoltre compromettere la sicurezza. Le protezioni devono essere adeguate alla chimica e all’applicazione.

Le strategie comprendono progettazione delle celle, protezioni elettriche, gestione termica e monitoraggio del pacco. Il sistema di gestione della batteria può controllare tensioni, temperature e stato di carica e contribuire al bilanciamento delle celle. Il controllo non si limita a una misura dopo ogni ciclo.

Norme IEC, SAE, JIS e prescrizioni delle Nazioni Unite trattano aspetti differenti, come prove, applicazioni specifiche e trasporto. Non costituiscono un’unica garanzia universale: occorre individuare le norme e gli obblighi applicabili al prodotto e alla sua destinazione.

La diffusione delle batterie al litio rende centrali la prevenzione, la corretta manipolazione e la sicurezza della produzione. I progressi negli elettroliti devono essere accompagnati da prove adeguate e da protezioni specifiche per ogni chimica e applicazione.

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