Con la tecnologia che si integra letteralmente negli impianti sportivi e negli atleti stessi, le preoccupazioni relative alla sicurezza e alla protezione delle batterie agli ioni di litio sono naturali. Le strutture delle batterie possono essere compromesse dalle forze fisiche, esponendo gli utenti a gravi lesioni se le celle agli ioni di litio si guastano in modo grave, con conseguente calore, incendi e perfino esplosioni. Per ridurre questi effetti, i produttori di batterie continuano a costruire una vasta gamma di meccanismi di protezione in questi dispositivi.
Grazie al peso ridotto e all'elevata capacità di energia, le batterie agli ioni di litio hanno conquistato un ruolo centrale nelle applicazioni, che vanno dai veicoli elettrici ai dispositivi di monitoraggio delle attività sportive e di fitness. Infatti, le celle agli ioni di litio possono essere progettate per fornire potenza ed energia specifiche elevate per superare le prestazioni delle tecnologie per batterie tradizionali.
Le preoccupazioni relative alla sicurezza delle tecnologie agli ioni di litio sono state accentuate dai guasti delle batterie agli ioni di litio ad alto profilo nei veicoli elettrici Tesla e nel più recente aereo di linea principale Boeing, il 787 Dreamliner. La batteria si incendia durante le operazioni di volo dell'aereo Dreamliner. Ciò ha comportato il blocco a terra di tutti gli aerei Dreamliner. Boeing ha avviato, a seguito dell'evento, un esame approfondito della struttura della batteria 787. Per il grande pubblico, il fatto ha portato a interrogativi più ampi sulla sicurezza delle batterie agli ioni di litio in qualsiasi applicazione di consumo. Le batterie agli ioni di litio sono di fatto onnipresenti nei dispositivi di consumo e funzionano in modo sicuro e affidabile se utilizzate entro i margini consigliati. Per Boeing, un sistema di batterie agli ioni di litio riprogettato ha consentito al 787 di tornare a volare con batterie agli ioni di litio contenute in un involucro in acciaio inossidabile a tenuta stagna attraverso una valvola limitatrice di pressione in un tubo che attraversa la fusoliera pressurizzata del velivolo stesso.
Per le batterie per sport e fitness non è necessario (e, naturalmente, non è possibile) adottare misure così drastiche come quelle per il robusto sistema di batterie del 787. Grazie a una combinazione di meccanismi di protezione interni e metodi di packaging, tuttavia, questi componenti possono essere utilizzati in modo affidabile nei dispositivi di potenza anche per gli sport e le attività di fitness più movimentate.
Struttura della cella agli ioni di litio
Una cella agli ioni di litio è una struttura semplice in cui gli ioni di litio si muovono attraverso un elettrolita non acquoso dagli elettrodi negativi e positivi durante la scarica e in senso inverso durante la carica. Una batteria 18650 tipica, ad esempio, è costruita sotto forma di struttura a tre strati che comprende la piastra positiva, uno strato separatore e la piastra degli elettrodi negativi. Tale struttura viene avvolta per formare la nota batteria detta "jelly roll".
Figura 2: una batteria cilindrica 18650 tipica è costituita da una struttura di celle agli ioni di litio a tre strati avvolti nel caratteristico "jelly roll" e inserita in una custodia di protezione.
(Fonte: Panasonic)
Le celle agli ioni di litio operano entro un campo di temperatura ristretto (figura 3) se utilizzate come dispositivi a cella singola o combinate insieme in batterie a più celle. Durante il normale funzionamento, anche una batteria a stretto contatto con il corpo umano rimane entro questo campo operativo di sicurezza e non presenta, pertanto, alcun pericolo intrinseco per l'utente. Se la temperatura aumenta di alcuni gradi oltre l'intervallo ottimale, le celle agli ioni di litio rimangono sicure, ma iniziano a essere soggette a invecchiamento accelerato e mostrano una perdita associata alla capacità energetica.
Figura 3: le celle agli ioni di litio offrono prestazioni ottimali se utilizzati entro un intervallo ristretto di temperature ambiente e con differenze di temperatura minime tra le celle separate in uno stack a più celle. (Fonte: University of Oxford, Energy and Power Group)
Seri problemi insorgono, tuttavia, se le celle agli ioni di litio raggiungono temperature superiori a causa di una combinazione di calore del corpo continuo, elevata temperatura ambiente, riscaldamento solare, scarsa ventilazione o altri fattori. Oltre l'intervallo di temperatura ottimale, i processi chimici accelerano drasticamente e la pressione e la temperatura interna elevate possono aumentare velocemente fino a raggiungere il runaway termico.
Riduzione del runaway termico
Il processo di runaway termico inizia gradualmente con l'aumento della temperatura all'interno di una cella a causa di un guasto elettrico, una sollecitazione meccanica o la presenza di una fonte di calore esterna, come una cella vicina che si trova in una fase più avanzata del ciclo di runaway termico. Man mano che la temperatura nella cella aumenta, le interazioni chimiche comportano una scomposizione esotermica dei componenti della cella, elevando ulteriormente le temperature della cella. Alla fine, gli elettrodi si separano, rilasciando gas infiammabili. Man mano che la temperatura e la pressione si accumulano all'interno della cella, il separatore si disintegra e la cella va in cortocircuito, rilasciando ancora più calore. Le diverse composizioni chimiche delle batterie e le strutture delle celle spostano la soglia portando alla scomposizione irreversibile e al runaway termico, ma la temperatura della cella può raggiungere il picco di centinaia di gradi centigradi (figura 4). A questo punto, la batteria si arresta irrimediabilmente, rompe il relativo involucro e in genere viene divorata dal fuoco poiché i gas rilasciati reagiscono con l'ossigeno circostante.
Figura 4: utilizzando tre diversi tipi di batterie agli ioni di litio disponibili in commercio (blu, verde e rosso), i ricercatori hanno scoperto che le batterie esposte a scomposizione termica raggiungono il picco con un profilo prevedibile, ma con soglie spostate a seconda del tipo di batteria, del calore esterno (1 o 2 ) o semplicemente a causa si variazioni tra dispositivi simili. (Fonte: Royal Society of Chemistry)
Le fonti di alimentazione agli ioni di litio sono progettate con circuiti dedicati in grado di gestire le singole cellule e bilanciare la carica nelle batterie a più celle, fornendo al contempo protezione da condizioni di sovra e sotto tensione, corrente di carica eccessiva e temperature elevate. Oltre alla protezione elettronica integrata, le batterie al litio sono prodotte con un serie di protezioni meccaniche integrate progettate per mitigare i fattori che determinano il runaway termico (figura 5). I componenti della batteria sono in genere sigillati con guarnizioni o saldature progettate per bloccarsi in condizioni di elevata pressione interna. Per una maggiore protezione, i cappucci della batteria sono spesso incisi o comunque costruiti con dischi di rottura specifici destinati ad aprirsi per rilasciare la pressione. I dispositivi CID (Charge interrupt device) interrompono fisicamente il collegamento tra la cella e il circuito esterno in risposta a sovraccarico, sovra-scarico, surriscaldamento o corto circuito interno.
Figura 5: un cappuccio della batteria cilindrico tipico comprende una serie di strutture meccaniche progettate per prevenire condizioni che possono comportare guasti irreversibili e runaway termico.
(Fonte: U.S. Department of Energy National Renewable Energy Laboratory)
Uno dei metodi di mitigazione più efficaci nelle batterie agli ioni di litio in commercio impiega una struttura con coefficiente di temperatura positivo (PTC, positive temperature coefficient) a limitazione di corrente. Facendo oscillare il cappuccio della batteria internamente (vedere di nuovo la figura 5), il dispositivo PTC limita le correnti esterni se la batteria è in cortocircuito. I PTC delle batterie sono in genere costruiti da una matrice di un polietilene cristallino impregnato di particelle conduttive, evidenziando un forte aumento della resistenza con l'aumento della temperatura. Se la batteria è in corto, il rapido aumento della corrente provoca l'autoriscaldamento nel dispositivo PTC. Di conseguenza, la resistenza del dispositivo PTC aumenta rapidamente e riduce il flusso di corrente. Mentre la batteria rimane in cortocircuito, la resistenza del dispositivo PTC rimane elevata, limitando la corrente finché la condizione di cortocircuito non viene rimossa. Quando la batteria torna a una condizione di funzionamento perfetta, la resistenza del dispositivo PTC torna allo stato normale, fornendo alla batteria un fusibile ripristinabile protettivo.
Protezione fisica
Nel funzionamento a lungo termine, elettrodi della cella possono ridursi gradualmente e perfino separarsi, con una conseguente perdita della capacità totale. In alcuni casi, fratture in questi elettrodi o anche semplicemente le impurità negli elettrodi possono comportare la formazione di dendriti, in cui il litio metallico praticamente si cristallizza sull'anodo della batteria. Nel corso del tempo, man mano che il litio metallico continua ad aggregarsi sul dendrite, quest'ultimo può generare un picco. Alla fine il dendrite può raggiungere una lunghezza sufficiente per perforare il separatore tra gli elettrodi, creando un cortocircuito nella cella.
Figura 6: la micrografia della formazione del dendrite mostra il rapido aumento delle dimensioni di questi picchi di litio metallico e la loro crescita casuale, che alla fine può compromettere le strutture interne e causare un corto circuito nella cella agli ioni di litio. (Fonte: U.S. Department of Energy National Renewable Energy Laboratory)
Sebbene la formazione del dendrite può avere un effetto a lungo termine, le forze esterne come vibrazioni o l'accelerazione improvvisa possono danneggiare gli elettrodi, aumentando la probabilità di formazione di dendriti, degradare l'integrità della struttura fisica della batteria, compromettere la protezione o perfino rompere i collegamenti elettrici, con conseguente guasto della batteria.
L'improvviso trauma meccanico esterno di una batteria agli ioni di litio può letteralmente esporre una batteria al rischio di runaway termico. Nello sport e nel fitness, perforazioni da parte di apparecchiature come racchette, mazze da hockey o tacchetti possono penetrare nel pacchetto esterno e interrompere il separatore, creando un percorso conduttivo tra gli elettrodi. Peggio ancora, una perforazione può causare perdite nell'elettrolita non acquoso e perfino rilasciare gas infiammabili se la batteria danneggiata ha già iniziato a degradarsi chimicamente.
Analogamente, se una batteria al litio viene schiacciata, i danni agli elettrodi possono, nella migliore delle ipotesi, compromettere le prestazioni della batteria. Nel peggiore dei casi, se la struttura della batteria viene schiacciata così tanto da penetrare il separatore, è probabile che si verifichi un cortocircuito, con possibilità di runaway termica.
I produttori tentano di porre rimedio a questi problemi fornendo involucri batteria appropriati per l'applicazione. Nei dispositivi di consumo familiari, le batterie potrebbero essere sigillate in rigidi involucri di plastica o metallo o perfino limitate in pellicole termoretraibili quando i requisiti di peso e le considerazione sulla sicurezza consentono il packaging minimo.
I produttori di batterie personalizzate come iTECH e Nuvation abbinano design delle celle agli ioni di litio specifici a una combinazione di materiali e metodi di produzione per creare involucri adatti per questi dispositivi. La familiare cella cilindrica in genere si basa su un pacchetto in acciaio inox che può essere troppo ingombrante per le applicazioni indossabili nello sport e nel fitness. Per queste applicazioni, i produttori spesso scelgono design a celle prismatiche, che utilizzano una struttura a strati compatta che si traduce in geometrie delle celle più sottili e sono generalmente inseriti in contenitori metallici. Per i design ultracompatti, i design delle celle a tasca sono semplici strutture in cui gli elettroliti e gli elettrodi sono contenuti all'interno di un astuccio sigillato sottile con i collegamenti che fuoriescono sotto forma di alette a lamine conduttive saldate all'elettrodo.
Le tecnologie agli ioni di litio offrono densità di energia notevolmente superiore rispetto alle tecnologie per le batterie precedenti. Inserite in contenitori idonei e utilizzate entro le condizioni operative raccomandate, le celle agli ioni di litio offrono una fonte di energia efficiente in grado di soddisfare le esigenze fisiche e di energia delle applicazioni sportive e di fitness.