batteria litio esplosione

Le batterie al litio al giorno d'oggi si trovano in un'enorme quantità di dispositivi, dai cellulari alle auto elettriche, passando per un'infinità di dispositivi elettronici. Sono da considerarsi sicure, ma il loro uso può comportare una serie di rischi. Infatti, nonostante si tratti di un caso estremamente raro, talvolta può capitare che le batterie esplodano… ma per quale motivo? In questo articolo cercheremo di rispondere a questa domanda – tenendo sempre a mente che si tratta di un'eventualità estremamente rara.

Come funzionano le batterie ricaricabili al litio?

Prima di vedere per quale motivo possono esplodere, andiamo a vedere in modo sintetico come funzionano.
Concettualmente possiamo immaginare le batterie ricaricabili al litio come un sandwich: le due fette di pane sono rispettivamente due piastre chiamate anodo e catodo e, tra queste, si trova un liquido in grado di condurre l'elettricità detto elettrolita.

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in foto: Credit: Kartini et al., 2020.

In partenza gli ioni di litio si trovano sull'anodo, cioè una delle due piastre, costituita solitamente da grafite. Quando la batteria entra in funzione gli ioni Li+ si muovono attraverso l'elettrolita e raggiungono il catodo, l'altra superficie – formata perlopiù da ossidi di litio più altri elementi come manganese, cobalto, nichel e ossigeno. Durante la fase di ricarica, l'elettricità permette di spostare gli ioni di litio nel senso opposto, cioè dal catodo verso l'anodo, riportando il tutto alla situazione di partenza.

Tra anodo e catodo esiste una superficie che eviti il contatto tra queste due parti: come vedremo a breve, questa è una delle possibili cause di esplosione delle batterie.

Come esplode una batteria al litio

L'esplosione delle batterie è fondamentalmente legata al loro surriscaldamento: questo infatti può innescare reazioni chimiche incontrollate che, tramite un'effetto a catena, portano al cosiddetto thermal runaway. Vediamolo più nel dettaglio.
Al loro interno si trova il cosiddetto SEI (Solid Electrolyte Interphase) cioè una sorta di filtro che impedisce all'elettrolita di corrodere l'anodo. Ad alte temperature (solitamente superiori agli 85°C) questo filtro inizia a dissolversi, dando il via al processo di corrosione dell'anodo e iniziando a produrre calore. Questo calore in eccesso, se non viene dissipato, distrugge il separatore, cioè uno strato che separa anodo e catodo: se il tasso di surriscaldamento supera gli 0,2°C/minuto si parla di thermal runaway.

A questo punto la temperatura inizia a salire in modo incontrollato e, attorno ai 140°C (anche se questa temperatura può variare notevolmente a seconda della tipologia di batteria), anche il catodo inizia a reagire con l'elettrolita, liberando ossigeno e portando il tasso di surriscaldamento a circa 5°C/minuto. Questo processo termina quando l'elettrolita reagisce con l'ossigeno liberato, ossidandosi e portando il tasso di surriscaldamento può raggiungere i 100°C/minuto. Questo può comporta la formazione di gas, di fiamme e la fusione di alcune componenti della batteria. Nei peggiori casi, i gas che si vengono a formare possono causare l'esplosione delle batterie stesse.

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in foto: Credit: Ruiz et al., 2018.

Perché le batterie al litio si surriscaldano

A monte del thermal runaway, come abbiamo visto, c'è il raggiungimento di temperature più alte rispetto a quelle di esercizio. Queste possono essere raggiunte in seguito ad alcuni problemi come un corto circuito dei componenti elettrici, surriscaldamento causato da fonti esterne, problemi meccanici della batteria dopo una caduta o sovraccarichi durante la fase di carica e scarica.

Ovviamente ricordiamo ancora una volta che si tratta di un evento estremamente raro, soprattutto se consideriamo la quantità gigantesca di batterie che ogni giorno vengono prodotte e utilizzate all'interno dei nostri dispositivi elettronici.

Bibliografia
Arora, Shashank. "Selection of thermal management system for modular battery packs of electric vehicles: A review of existing and emerging technologies." Journal of Power Sources 400 (2018): 621-640.
Kartini, Evvy, and Carla Theresa Genardy. "The future of all solid state battery." IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 924. No. 1. IOP Publishing, 2020.
Vanesa Ruiz and Andreas Pfrang, JRC exploratory research: Safer Li-ion batteries by preventing thermal propagation – Workshop report: summary & outcomes (JRC Petten, Netherlands, 8-9, March2018), EUR 29384 EN, Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2018, ISBN 978-92-79-96399-5, doi:10.2760/096975, JRC113320

Articolo a cura di
Stefano Gandelli