Batterie EV all’insegna del rischio nascosto
Mentre i veicoli elettrici continuano la loro rapida diffusione globale, un nuovo studio scientifico lancia un allarme urgente sui pericoli nascosti delle batterie al litio ad alto contenuto di nichel, specialmente quando si guastano all’interno degli ambienti strettamente compatti e racchiusi dei moderni pacchi batteria. La ricerca, condotta da un team dell’Università della Polizia Popolare Cinese, rivela che sebbene gli spazi confinati possano sopprimere le fiamme visibili durante la fuga termica, non fermano la catena di reazioni catastrofiche che si diffonde da una cella all’altra. Questa scoperta sfida le ipotesi prevalenti nell’ingegneria della sicurezza dei veicoli elettrici e ha profonde implicazioni per la progettazione dei veicoli, le strategie di soppressione degli incendi e le indagini forensi post-incidente.
Lo studio si concentra sulle batterie NCM811, così denominate perché il loro catodo è composto per l’80% da nichel, per il 10% da cobalto e per il 10% da manganese. Queste celle ad alta densità energetica sono diventate la scelta preferita dei produttori di automobili che cercano di massimizzare l’autonomia. Ma con un maggiore contenuto di nichel aumenta la reattività chimica e diminuisce la stabilità termica. La nuova ricerca, pubblicata su Energy Storage Science and Technology, dimostra quanto queste batterie possano diventare volatili in condizioni di guasto reali.
In esperimenti controllati, i ricercatori hanno posizionato un modulo a quattro celle di batterie a sacchetto NCM811 da 51 Ah all’interno di una camera d’acciaio sigillata progettata per simulare la geometria ristretta di un alloggiamento per batterie per veicoli elettrici. Il modulo è stato caricato completamente al 100% dello stato di carica (SOC), una condizione comune durante i viaggi lunghi o la ricarica notturna, e quindi sottoposto a riscaldamento esterno su un’estremità per innescare la fuga termica nella prima cella.
Ciò che è accaduto dopo è stato sia drammatico che rivelatore. Nel giro di secondi dal guasto iniziale della cella, questa ha espulso un getto di particelle roventi e gas infiammabili attraverso la sua valvola di sfiato della pressione. È divampata una fiamma a getto breve ma intensa, che ha incendiato i gas accumulati all’interno della camera e ha causato una palla di fuoco momentanea, un fenomeno noto come flashover. Tuttavia, a causa della limitata fornitura di ossigeno nello spazio confinato, la fiamma si è estinta entro due secondi. Nonostante l’assenza di fuoco sostenuto, le restanti tre celle hanno comunque subito una fuga termica completa, una dopo l’altra, nel corso dei successivi 237 secondi.
Fondamentalmente, nessuna delle celle successive ha prodotto fiamme visibili. Tuttavia, ognuna ha espulso enormi quantità di particelle incandescenti, brace incandescente che ha raggiunto temperature tra 820°C e 979°C. Queste particelle, composte da materiali frammentati del catodo e dell’anodo, hanno continuato a fuoriuscire dalle celle anche dopo che la fiamma si era spenta, riempiendo la camera di fumo nero denso e ponendo seri rischi di accensione secondaria se l’ossigeno fosse stato reintrodotto, ad esempio durante le operazioni di soccorso o la ventilazione post-incidente.
“Questo cambia le regole del gioco per come pensiamo agli incendi delle batterie dei veicoli elettrici”, ha affermato il ricercatore capo Dengchao Han. “L’assenza di fiamme libere non significa che il pericolo sia passato. In effetti, la propagazione della fuga termica continua incontrastata e l’ambiente rimane estremamente pericoloso a causa degli ejecta ad alta temperatura e dei gas tossici”.
Lo studio documenta meticolosamente la sequenza temporale del guasto. La propagazione interna della fuga termica all’interno di una singola cella, definita come il tempo necessario al calore per viaggiare dalla superficie anteriore (riscaldata) a quella posteriore, è variata da appena 5 a 7 secondi. Tra celle adiacenti, il ritardo di propagazione è variato da 52 a 106 secondi, con l’intervallo più lungo verificatosi tra la terza e la quarta cella, probabilmente a causa del minore preriscaldamento e dell’assorbimento di calore aggiuntivo da parte dei dispositivi di montaggio.
Forse la cosa più preoccupante è l’enorme entità della perdita di materiale durante il guasto. Ogni cella ha perso tra 390 e 462 grammi di massa, rappresentando dal 45,6% al 52,7% del suo peso totale. Questa massa non è stata solo vaporizzata; è stata violentemente espulsa come ossidi metallici fusi, frammenti di carbonio e composti elettrolitici decomposti. Un’espulsione così massiccia non solo compromette l’integrità strutturale, ma diffonde anche materiali reattivi in tutto il compartimento della batteria, potenzialmente incendiando i componenti vicini o complicando gli sforzi antincendio.
Anche la deformazione fisica delle celle racconta una storia forense. Dopo il test, ogni cella presentava un rigonfiamento distinto sulla faccia anteriore e un’ammaccatura corrispondente sul retro, puntando direttamente verso la cella innescata inizialmente. Questo modello di deformazione direzionale, notano i ricercatori, potrebbe servire come un indizio cruciale per gli investigatori degli incidenti che cercano di determinare l’origine di un evento di fuga termica in incidenti reali o incendi in garage.
Oltre alle osservazioni macroscopiche, il team ha condotto analisi microscopiche ed elementari dettagliate dei materiali del catodo prima e dopo la fuga termica. Utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS), hanno scoperto che le particelle di NCM811 una volta lisce e uniformemente distribuite avevano subito una grave agglomerazione e una micropitting superficiale dopo il guasto. Ancora più significativo, il contenuto di ossigeno nel catodo è sceso dal 39,96% al 32,15%, prova diretta del rilascio di ossigeno durante la decomposizione termica.
Questo rilascio di ossigeno è un fattore chiave della gravità della fuga termica. A differenza delle batterie al litio ferro fosfato (LFP), che rimangono relativamente stabili, i catodi ricchi di nichel come l’NCM811 si decompongono esotermicamente ad alte temperature, rilasciando ossigeno che poi reagisce violentemente con l’elettrolita organico e l’anodo in grafite litinata. Questa reazione autosostenuta non richiede ossigeno esterno, il che significa che può infuriare anche in ambienti sigillati e poveri di ossigeno.
“L’ossigeno proviene dal catodo stesso”, ha spiegato il coautore Huaibin Wang, professore associato specializzato nella dinamica degli incendi delle batterie. “Ecco perché il confinamento non ferma la propagazione. L’incendio non ‘brucia’ nel senso tradizionale; è una serie di reazioni redox interne alimentate dalla chimica stessa della batteria”.
Questa intuizione ha importanti implicazioni per la progettazione dei pacchi batteria. Molte architetture attuali di veicoli elettrici si basano su barriere antincendio passive o rivestimenti ignifughi che presuppongono la necessità di ossigeno esterno per la combustione. Ma se il pericolo principale è la propagazione termica senza ossigeno guidata dalla chimica interna, tali misure potrebbero essere insufficienti. Invece, lo studio suggerisce che una mitigazione efficace deve concentrarsi sulla dissipazione rapida del calore, sulla separazione fisica delle celle e sul rilevamento precoce dello sgasamento, in particolare dei vapori elettrolitici, che il team ha osservato già tre secondi prima dell’espulsione violenta.
Inoltre, i risultati sottolineano i limiti dei test antincendio in spazi aperti, che hanno dominato la ricerca sulla sicurezza delle batterie fino ad oggi. In ambienti aperti, le fiamme sono ampie e sostenute, rendendole facili da osservare e misurare. Ma all’interno del vano batteria di un veicolo, spesso racchiuso da custodie metalliche, piastre di raffreddamento e rinforzi strutturali, le dinamiche sono completamente diverse. Le fiamme possono essere soppresse, ma il calore, la pressione e le particelle reattive si accumulano, creando un ambiente pressurizzato e ad alta temperatura che può rompere gli involucri o riaccendersi a contatto con l’aria.
Per i primi soccorritori, questo significa che un incendio di un veicolo elettrico che sembra “spento” potrebbe ancora nascondere un pericolo estremo. La camera dello studio è rimasta piena di particelle reattive e calde molto tempo dopo la scomparsa della fiamma. Aprire il pacco batteria senza un’adeguata ventilazione e raffreddamento potrebbe introdurre ossigeno e innescare un’esplosione secondaria, uno scenario che si è verificato in incidenti reali.
Dal punto di vista normativo, lo studio chiede standard di sicurezza aggiornati che tengano conto delle modalità di guasto in spazi confinati. Le attuali normative UN e FMVSS spesso valutano le batterie in isolamento o in configurazioni aperte. I nuovi dati suggeriscono che i protocolli di test devono evolversi per simulare geometrie realistiche dei pacchi, inclusa la ventilazione limitata e l’accoppiamento termico tra le celle.
Anche i produttori di automobili potrebbero dover riconsiderare la loro ricerca di densità energetiche sempre più elevate. Sebbene l’NCM811 offra vantaggi in termini di autonomia, la sua instabilità termica in ambienti confinati presenta un compromesso di sicurezza non banale. Alcuni produttori hanno iniziato a orientarsi verso catodi ibridi (ad esempio, NCM622 o NCM532) o a mescolare celle NCM con LFP per bilanciare prestazioni e sicurezza. Questa ricerca fornisce una giustificazione empirica per tali strategie.
Guardando al futuro, il team dell’Università della Polizia Popolare Cinese prevede di espandere il proprio lavoro ad altre chimiche, incluse celle con anodo al silicio e prototipi a stato solido, e di investigare il ruolo dei sistemi di gestione della batteria (BMS) nel rilevare i segnali precoci di fuga termica. Mirano anche a sviluppare protocolli forensi per gli investigatori sul campo, utilizzando modelli di deformazione, composizione dei residui e distribuzione delle particelle per ricostruire le sequenze di guasto.
Per ora, il messaggio è chiaro: la spinta verso veicoli elettrici con autonomia più lunga non deve superare la nostra comprensione dei pericoli delle batterie ad alta energia. Come dimostrano Dengchao Han e i suoi colleghi, gli incendi più pericolosi possono essere quelli che non si vedono.
Questa ricerca è stata condotta da Dengchao Han, Yuanxiang Pei, Zhaoyang Liu, Songtao Liu, Huaibin Wang, Junli Sun, Yonglu Wang e Yu Han presso l’Università della Polizia Popolare Cinese, Langfang, Hebei, Cina. È stata pubblicata su Energy Storage Science and Technology, Vol. 13, No. 11, Novembre 2024, pp. 4133–4142. DOI: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0447.