Sarà solido

Jul 02, 2023

La fuga termica e i relativi incendi delle batterie si sono rivelati una preoccupazione fondamentale per i clienti, i progettisti di batterie e i produttori di veicoli elettrici. Molti veicoli hanno subito incendi di batterie e centinaia di migliaia sono stati richiamati. Sebbene questi eventi siano rari, possono essere molto gravi ed è importante garantire la massima sicurezza alle persone all'interno e intorno a questi veicoli. Una domanda comune è se la prossima tecnologia delle batterie allo stato solido sarà più sicura e se ciò eliminerà la necessità di materiali per la gestione termica e la protezione antincendio?

Il nuovo rapporto di IDTechEx "Batterie allo stato solido e ai polimeri 2023-2033: tecnologia, previsioni, attori" esamina le tecnologie, gli attori, la sicurezza e l'adozione delle batterie allo stato solido.

A prima vista, le batterie allo stato solido presentano diversi vantaggi in termini di sicurezza. Eliminano l'elettrolita liquido infiammabile e possono sostituirlo con un elettrolita allo stato solido non infiammabile. Inoltre, generalmente hanno una finestra di temperatura operativa più ampia, rendendo potenzialmente meno probabile il verificarsi di instabilità termica dovuta al surriscaldamento delle celle. Anche il calore generato a causa di un guasto del riscaldamento esterno viene generalmente ridotto.

Tuttavia, questo non racconta tutta la storia. Il termine batteria a stato solido si riferisce in realtà a una serie di tecnologie delle batterie. In alcuni casi, la batteria utilizzerà comunque un componente liquido per lo scambio ionico (stato semi-solido), il che significa che è ancora presente un componente volatile. Alcuni elettroliti polimerici allo stato solido non sono completamente infiammabili e qualsiasi elettrolito può sciogliersi se il sistema diventa sufficientemente caldo.

Nel 2022, l’operatore del trasporto pubblico di Parigi ha temporaneamente ritirato 149 autobus elettrici dopo due distinti incendi di autobus. È stato dichiarato che le celle utilizzate qui utilizzano batterie con un catodo LFP, un anodo metallico al litio e un elettrolita polimerico allo stato solido. Il fornitore descrive le sue batterie come "completamente solide, senza componenti liquidi, senza nichel e senza cobalto".

Un altro esempio viene da uno studio di ricerca basato sulla simulazione condotto dai Sandia National Laboratories nel 2022 (Hewson et. al., Joule, Vol.6, Issue 4, 742-755) che ha confrontato la sicurezza di una batteria interamente a stato solido, una batteria solida a stato liquido con elettrolita liquido aggiunto nel catodo e una batteria agli ioni di litio convenzionale a base liquida. Lo studio ha rilevato che in caso di guasto del riscaldamento esterno, una batteria allo stato solido con una piccola quantità di elettrolita liquido genera meno calore di una tipica batteria agli ioni di litio ma più di una batteria interamente allo stato solido. In caso di guasto da cortocircuito, il calore rilasciato dipendeva solo dalla capacità della cella. Dato che le batterie allo stato solido possono avere una densità energetica maggiore, potrebbe essere generato più calore. La tipica temperatura di fuga termica menzionata per le normali batterie agli ioni di litio è di circa 1000-1200°C; in alcuni scenari di questa ricerca, l’aumento della temperatura delle batterie allo stato solido ha raggiunto quasi 1800°C.

Lo sviluppo delle batterie allo stato solido è ancora in corso, ma il punto è che le batterie allo stato solido potrebbero essere più sicure nella maggior parte dei casi. Tuttavia, nessun sistema di batterie sarà sicuro al 100%. Pertanto, i materiali per la gestione termica e la protezione antincendio saranno sempre necessari per fornire lo strato finale in grado di ritardare la propagazione del fuoco all’esterno del pacco.

I tipi di materiali antincendio utilizzati per le batterie allo stato solido saranno in gran parte simili a quelli utilizzati per le tradizionali batterie agli ioni di litio, il fattore di forma delle celle (cilindriche, prismatiche, a sacchetto) e il design complessivo del pacco avrà una maggiore impatto sulla scelta del materiale. Oggi, i materiali comunemente utilizzati per la protezione passiva dal fuoco sono, tra gli altri, fogli di mica, coperte ceramiche, schiume incapsulanti e rivestimenti ignifughi. Gli aerogel stanno guadagnando terreno nel mercato e opzioni come rivestimenti intumescenti e materiali a cambiamento di fase stanno ricevendo un crescente interesse.

Molti di questi materiali avrebbero difficoltà a sopportare temperature superiori a 1500°C. Tuttavia, l’obiettivo finale non è necessariamente quello di arrestare completamente la propagazione, ma di ritardarla il più a lungo possibile. Oltre alle prestazioni alle alte temperature, questi materiali devono sempre più occuparsi di altre funzioni, come la conformabilità con le celle, le prestazioni di compressione e i costi. Il mercato dei veicoli elettrici in rapida crescita, con una maggiore attenzione alla sicurezza antincendio, presenterà una varietà di opportunità per i materiali antincendio e queste non saranno eliminate da tecnologie alternative delle batterie come quelle a stato solido.