Nuove strategie per il controllo della fuga termica nelle batterie EV
Con la diffusione globale dei veicoli elettrici, la sicurezza delle loro batterie agli ioni di litio rimane una preoccupazione cruciale per costruttori, autorità di regolamentazione e consumatori. Tra le sfide più pressanti vi è la fuga termica – una reazione a catena autoalimentata all’interno delle celle che può portare a incendi o esplosioni. Una recente ricerca guidata da Chen Guohe, Lyu Peizhao, Li Menghan e Rao Zhonghao dell’Università di Tecnologia di Hebei fornisce un’analisi completa di come la fuga termica si propaga nei moduli batteria e valuta strategie all’avanguardia per mitigarne i rischi. I loro risultati, pubblicati su Energy Storage Science and Technology, illuminano percorsi verso sistemi batteria più sicuri e resilienti per i veicoli elettrici.
La fuga termica inizia quando reazioni secondarie interne in una cella agli ioni di litio – come la decomposizione dello strato di interfaccia dell’elettrolita solido (SEI) o reazioni tra catodo ed elettrolita – generano calore più rapidamente di quanto possa essere dissipato. Ciò innesca un effetto domino: temperature crescenti accelerano ulteriori reazioni esotermiche, portando a picchi di temperatura rapidi, generazione di gas e, nei casi più gravi, sfiato o accensione della cella. Sebbene i veicoli elettrici moderni incorporino sofisticati sistemi di gestione della batteria, la propagazione della fuga termica da una cella a quelle vicine in un pacco può compromettere un intero modulo, ponendo significativi rischi per la sicurezza.
I ricercatori sottolineano che comprendere i meccanismi di propagazione è tanto vitale quanto prevenire l’evento iniziale. Il calore si diffonde attraverso tre percorsi principali: conduzione tramite involucri e interconnessioni delle celle, convezione da gas caldi e materiali sfiato, e radiazione da fiamme o superfici incandescenti. A seconda della geometria della batteria – cilindrica, prismatica o a busta – varia la modalità dominante di trasferimento del calore. Ad esempio, nei moduli prismatici strettamente impacchettati, la conduzione attraverso l’involucro in alluminio rappresenta la maggior parte del trasferimento di calore verso le celle adiacenti. Al contrario, le celle cilindriche distanziate strettamente possono sperimentare un riscaldamento radiativo significativo, specialmente quando sono presenti fiamme.
Una serie di fattori influenza la velocità e l’estensione della propagazione della fuga termica. La chimica della batteria gioca un ruolo cruciale. Celle con catodi ricchi di nichel come NCM811 mostrano una propagazione più rapida e violenta rispetto a quelle che utilizzano fosfato di ferro e litio (LFP), intrinsecamente più stabile termicamente. Anche lo stato di carica (SOC) è importante – un SOC più alto significa più energia chimica immagazzinata disponibile per alimentare reazioni esotermiche. Esperimenti dimostrano che una cella a busta NCM da 10 Ah al 100% di SOC può innescare celle vicine in meno di due minuti, mentre la stessa cella al 20% di SOC potrebbe non propagare affatto.
Il design fisico del pacco batteria modula ulteriormente il rischio. La topologia di connessione – se le celle sono cablate in serie, parallelo o configurazioni ibride – influisce sia sul comportamento elettrico che termico durante un guasto. Le connessioni parallele, sebbene benefiche per la distribuzione della corrente durante il normale funzionamento, possono esacerbare la fuga termica permettendo una ridistribuzione della corrente che surriscalda le celle adiacenti. Uno studio citato nella revisione ha rilevato che un modulo cilindrico 1S10P ha sperimentato una piena propagazione entro minuti dal guasto di una singola cella, mentre una configurazione 10S1P non ha mostrato propagazione in condizioni identiche.
Anche la disposizione della batteria influenza le dinamiche di propagazione. L’impilamento verticale, comune in molte piattaforme EV, permette a getti di fiamma e gas caldi da una cella guasta inferiore di impattare direttamente sulle celle superiori, accelerando la propagazione verso l’alto. Al contrario, layout a mattoni o sfalsati possono interrompere i percorsi diretti della fiamma e aumentare la distanza che il calore deve percorrere, rallentando o fermando così i guasti a cascata. I ricercatori hanno dimostrato che tali interventi geometrici potrebbero contenere efficacemente la fuga termica all’interno di un singolo modulo, prevenendo un collasso a livello di sistema.
Le condizioni ambientali aggiungono un altro strato di complessità. Ad alta quota o in applicazioni aerospaziali, la ridotta pressione ambientale altera le caratteristiche di combustione e il trasferimento di calore. Contrariamente all’intuizione, ambienti a bassa pressione possono sopprimere o accelerare la propagazione, a seconda della chimica della cella e della configurazione del modulo. Ad esempio, i moduli LFP hanno mostrato un aumento del rischio di propagazione sotto i 70 kPa, mentre i moduli NCM523 hanno mostrato una propagazione ridotta nelle stesse condizioni. Ciò sottolinea la necessità di una validazione della sicurezza specifica per l’applicazione, specialmente man mano che i veicoli elettrici si espandono in ambienti operativi diversificati.
In questo contesto, il team di ricerca valuta sistematicamente le strategie di gestione termica progettate per interrompere la propagazione. I metodi di raffreddamento passivi e attivi offrono ciascuno vantaggi e compromessi distinti.
Il raffreddamento ad aria, sebbene semplice e a basso costo, fornisce un limitato tamponamento termico durante gli eventi di fuga termica. Tuttavia, il flusso d’aria forzato – particolarmente il vento longitudinale – può sopprimere significativamente lo sviluppo della fiamma. Un esperimento ha rilevato che un flusso d’aria superiore a 4,5 m/s eliminava le fiamme visibili dopo lo sfiato, riducendo i rischi di accensione secondaria. Sebbene insufficiente come soluzione autonoma per pacchi ad alta energia, il raffreddamento ad aria può servire come misura complementare in applicazioni a basso rischio.
I sistemi di raffreddamento a liquido, ampiamente adottati nei veicoli elettrici di fascia premium, offrono una capacità di rimozione del calore superiore. Il raffreddamento a liquido indiretto – dove il refrigerante scorre attraverso canali adiacenti alle celle – può ritardare la propagazione ma spesso non può prevenirla una volta che la fuga termica si innesca. Le piastre fredde a microcanali e serpentina migliorano le prestazioni, ma richiedono alti flussi (ad es. 96 L/h) per sopprimere efficacemente l’aumento di temperatura nelle celle adiacenti. Crucialmente, la velocità di risposta del sistema conta: aumentare il flusso del refrigerante immediatamente dopo il rilevamento di un’anomalia può ridurre le temperature di picco nelle celle vicine di oltre 100°C, guadagnando tempo critico per l’intervento.
Più promettente è il raffreddamento a immersione diretta, in cui le celle sono immerse in fluidi dielettrici come olio per trasformatori, olio di silicone o fluorocarburi progettati come Novec 649. Questi fluidi assorbono calore direttamente dalle superfici delle celle e sopprimono la combustione limitando l’accesso all’ossigeno. In un test, un modulo a busta NCM622 da 60 Ah immerso in Novec 649 ha mostrato temperature superficiali limitate a 184°C durante una fuga termica indotta da sovraccarico – ben al di sotto dei 500–800°C tipici in aria – e non ha mostrato fiamme o propagazione. I sistemi a immersione eliminano anche la necessità di complesse piastre fredde, potenzialmente semplificando il design del pacco.
I materiali a cambiamento di fase (PCM) offrono un tamponamento termico passivo assorbendo grandi quantità di calore durante la fusione. Tuttavia, i PCM organici tradizionali come la paraffina sono infiammabili, ponendo un ulteriore rischio di incendio. Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno sviluppato compositi ignifughi – mescolando PCM con additivi come idrossido di alluminio, polifosfato di ammonio o melammina. Queste formulazioni ritardano l’insorgenza della fuga termica di diversi minuti e riducono la velocità di propagazione. Ad esempio, un PCM con una miscela 10:6:3 di fosfato di ammonio, melammina e pentaeritritolo ha esteso il tempo di propagazione in un modulo a busta NCM da 10 Ah di 90 secondi. I PCM inorganici, come il triidrato di acetato di sodio, eliminano l’infiammabilità ma affrontano sfide con la separazione delle fasi e il superraffreddamento, richiedendo incapsulamento o strutture composite.
Materiali ad alta conduttività termica – compositi di grafite, piastre di alluminio o schiume metalliche – possono ridistribuire il calore lontano dai punti caldi, prevenendo picchi di temperatura localizzati. Tuttavia, in moduli grandi e ad alta energia, questi materiali possono involontariamente accelerare la propagazione conducendo calore più efficientemente verso le celle vicine. Pertanto, il loro uso deve essere calibrato attentamente. Al contrario, i materiali di isolamento termico agiscono come barriere. Gli aerogel, in particolare le varianti a base di silice, mostrano una conduttività termica ultra-bassa (<0,02 W/m·K) e stabilità sopra i 600°C. Un foglio di aerogel spesso 6,9 mm ha bloccato con successo la propagazione in un modulo ad alto nichel (NCMA) con temperature superficiali superiori a 800°C. Allo stesso modo, pannelli di microsfere di vetro cavo (HGM) spessi solo 3 mm hanno fermato la fuga termica in celle prismatiche NCM811 da 51 Ah.
Riconoscendo i limiti degli approcci a metodo singolo, i ricercatori stanno sempre più esplorando sistemi ibridi. Combinare l’isolamento in aerogel con il raffreddamento a liquido, ad esempio, sfrutta la capacità dell’isolante di ritardare il trasferimento di calore e la capacità del refrigerante di rimuovere energia nel tempo. Un design ibrido ha mantenuto le temperature delle celle adiacenti sotto i 90°C durante un evento di guasto a triple celle. Un altro sistema integrato PCM, piastre di alluminio e flusso liquido – migliorando l’uniformità della temperatura durante il normale funzionamento mentre forniva una difesa termica multi-stadio durante l’abuso.
Guardando avanti, gli autori identificano tre direzioni di ricerca chiave. Primo, è necessaria una comprensione meccanicistica più profonda dei processi di sfiato e combustione durante la fuga termica – in particolare il ruolo dei particolati solidi e degli elettroliti aerosolizzati – per affinare i modelli di propagazione. Secondo, strumenti di simulazione multi-scala e multi-fase che accoppiano la fisica elettrochimica, termica, fluidodinamica e della combustione devono essere sviluppati e validati, con modelli a ordine ridotto che abilitano un’iterazione di design più rapida. Terzo, i sistemi di gestione termica di prossima generazione dovrebbero unire l’efficienza del normale funzionamento e le capacità di soppressione di emergenza, potenzialmente attraverso materiali intelligenti che si attivano solo in condizioni estreme.
Per l’industria automobilistica, queste intuizioni portano una rilevanza immediata. Man mano che i costruttori spingono verso densità energetiche più elevate per estendere l’autonomia, la sicurezza non può essere un ripensamento. Le architetture delle batterie devono integrare barriere di propagazione termica fin dall’inizio – non come aggiunte, ma come elementi di design core. Gli standard normativi, come il GB 38031–2020 cinese, impongono già la resistenza alla propagazione della fuga termica, e requisiti simili stanno emergendo globalmente. Le strategie qui revisionate forniscono una roadmap per la conformità senza sacrificare le prestazioni.
In ultima analisi, l’obiettivo non è solo contenere il guasto, ma prevenirlo. Sebbene nessun sistema possa garantire una sicurezza assoluta, difese stratificate – combinando chimica cellulare robusta, architettura intelligente del pacco, gestione termica reattiva e monitoraggio avanzato – possono ridurre la probabilità e le conseguenze della fuga termica a livelli trascurabili. Man mano che i veicoli elettrici diventano mainstream, tale rigore ingegneristico sarà essenziale per mantenere la fiducia dei consumatori e abilitare una mobilità sostenibile.
Autori: Chen Guohe, Lyu Peizhao, Li Menghan, Rao Zhonghao
Affiliazione: Scuola di Ingegneria Energetica e Ambientale, Università di Tecnologia di Hebei, Tianjin 300401, Cina
Rivista: Energy Storage Science and Technology
DOI: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0091