THERMAL RUNAWAY, CHE COS’È LA FUGA TERMICA E PREVENZIONE CON GLI ENDOSCOPI INDUSTRIALI

Il futuro della mobilità, ed in parte già il presente, è elettrico. Per quanto le auto elettriche rappresentino una soluzione green per ridurre le emissioni di CO2, non sono certamente indenni da problematiche tecniche. Uno dei rischi maggiori collegati alle batterie al litio è il cosiddetto thermal runaway, tradotto in italiano come “fuga termica”. Di cosa si tratta?

Il thermal runaway è una condizione di surriscaldamento incontrollato all’interno di una cella o di un pacco batteria. Nelle prossime righe osserveremo da vicino i motivi da cui ha origine tale fenomeno ed ovviamente tutti i pericoli che può comportare in termini di sicurezza. Infine, ci soffermeremo anche sul ruolo di prevenzione svolto dagli endoscopi industriali.

Che cos’è il thermal runaway?

Proviamo innanzitutto a fornire una definizione di thermal runaway. La fuga termica può essere descritta come un processo autocatalitico, ovvero una volta avviato tende ad alimentarsi da solo. L’eccessivo calore all’interno delle batterie a litio innesca una reazione chimica incontrollata, la quale a sua volta genera altro calore ed alimenta rapidamente il thermal runaway. Nella pratica si innesca una reazione a catena che potrebbe deteriorare rapidamente l’intero pacco batteria.

In linea generale, le batterie al litio durante il loro funzionamento dovrebbero restare in un intervallo di temperatura compreso tra 15 e 35°C. Quando i gradi iniziano ad aumentare si scatenano le reazioni elettrochimiche citate poco fa che diminuiranno l’autonomia della batteria e, in seconda battuta, potrebbero dar vita ad una fuga termica.

Come si sviluppa il fenomeno del thermal runaway?

Il thermal runway “esplode” appunto come una reazione a catena. A partire dall’innesco possono essere osservate tre fasi principali del fenomeno:

• il venting;
• la fuga di calore vera e propria;
• la propagazione.

Venting

Il venting è quello che viene comunemente chiamato sfiato. La cella comincia a rilasciare gas: tutto ciò è un segnale che all’interno sono già in corso alcune reazioni. Il venting è il primo indicatore di instabilità della batteria e va monitorato con attenzione, in quanto possono essere coinvolti anche gas infiammabili generati dalla decomposizione dell’elettrolita durante lo sfiato. 

Fuga di calore

Dopo lo sfiato si entra nella fase di fuga termica in senso stretto. A questo punto la temperatura aumenta in modo incontrollato e il sistema non riesce più a ristabilire autonomamente un equilibrio. Intorno ai 100°C scatta la reazione esotermica che porta alla degradazione dei primi componenti. Quando la temperatura raggiunge i 300°C, la fuga di calore è ormai incontrollabile.

Propagazione

L’aspetto più pericoloso, soprattutto nei pacchi batteria multi-cella, è la propagazione. Il calore generato da una cella in crisi può trasferirsi rapidamente a quelle vicine, coinvolgendo progressivamente altri elementi del modulo. La reazione a catena entra nel vivo ed è ormai impossibile gestirla.

Quali sono le principali cause della fuga termica?

Le cause che concorrono alla fuga termica sono differenti. Proviamo ad analizzare le più comuni.

Sovraccarico

Una tensione superiore a quella nominale può portare a un surriscaldamento anomalo e danneggiare i componenti interni della cella. Quando la batteria viene spinta oltre i suoi limiti di progetto, il rischio di alterare l’equilibrio interno aumenta in modo significativo. 

Cortocircuito

Un cortocircuito può provocare un rilascio improvviso di energia termica. È una delle situazioni più critiche perché può far salire la temperatura in tempi molto rapidi, favorendo l’avvio della reazione incontrollata. 

Danni meccanici

Urti, schiacciamenti, vibrazioni intense o perforazioni possono compromettere l’integrità strutturale della cella. In queste situazioni aumentano le probabilità che si sviluppino guasti elettrici, surriscaldamenti localizzati o reazioni pericolose. Proprio per questo motivo, i pacchi batteria devono essere sempre progettati con una resistenza meccanica elevata.

Difetti di fabbricazione

Anomalie durante la produzione possono lasciare difetti o fragilità latenti all’interno della batteria. Questi elementi, anche se non immediatamente visibili, possono rendere la cella più vulnerabile a fenomeni di instabilità termica. 

Umidità e contaminanti

L’ingresso di umidità o di detriti estranei rappresenta un’altra condizione da non sottovalutare. Infatti, il litio è altamente reattivo con l’umidità: l’interazione può ridurre le prestazioni della batteria e, in condizioni più gravi, contribuire a fenomeni di combustione. 

La fuga termica può far esplodere un’auto elettrica?

Uno dei timori più comuni tra chi valuta l’acquisto di un’auto elettrica è la paura che le batterie al litio possano incendiarsi e nei casi peggiori addirittura esplodere. Il thermal runaway può effettivamente condurre a queste condizioni?

La risposta è purtroppo sì. Al tempo stesso è doveroso sottolineare che una batteria per prendere fuoco deve raggiungere una temperatura compresa tra i 700 e i 1000 °C. Tuttavia, la pericolosità sta proprio nell’infrastruttura dei pacchi batteria: non sono dei semplici accumulatori di energia, ma strutture complesse che si articolano in un sistema multi-cella.

Se l’aumento di calore non riesce a restare confinato all’interno della singola cella, si propaga a quelle vicine andando a deteriorare rapidamente l’intera batteria. Le auto elettriche di ultima generazione sono progettate per ovviare al fenomeno del thermal runaway. Il focus per gli sviluppatori dei motori elettrici è ovviamente far sì che il calore possa dissiparsi molto più rapidamente di quanto si accumuli.

Per riuscire in questo intento i sistemi batteria vengono dotati di soluzioni in grado di trasferire il calore lontano dalle aree maggiormente sollecitate e distribuire la temperatura in maniera omogenea. Gli elementi che vengono applicati sono:

• materiali di interfaccia termica, ovvero componenti come dissipatori o piastre a liquido inseriti tra le celle;
• adesivi termicamente conduttivi, i quali sono formulati con cariche ceramiche e metalliche e creano un ponte per il trasferimento dell’energia termica tra le varie celle;
• custodie termicamente conduttive, ovvero gli involucri dove vengono alloggiate le celle progettati con materiali in grado di dissipare il calore;
• camere di vapore ultrasottili caratterizzate da spessori estremamente ridotti per essere inseriti tra una cella e l’atra e contribuire a dissipare ulteriormente il calore.

Inoltre, ogni auto elettrica è dotata del BSM (Battery Management System). Si tratta di un sistema evoluto, che tramite algoritmi predittivi e sistemi di autodiagnosi, permette di monitorare costantemente le temperature di ogni cella: è in grado di bilanciare i carichi per evitare surriscaldamenti e adattare la potenza alle condizioni esterne.

Prevenire il thermal runaway con gli endoscopi industriali

La fuga termica, oltre ad essere limitata con tutte le precauzioni osservate nei paragrafi precedenti, andrebbe soprattutto prevenuta. In che modo?

In nostro aiuto giungono gli endoscopi industriali, i quali da un lato sono molto utili per la diagnostica preventiva sui componenti delle batterie a litio, e dall’altro sono altrettanto rilevanti nell’analisi post guasto. Le sonde endoscopiche, grazie alla loro flessibilità ed ai loro diametri ridotti, sono pensati per verificare aree interne dei pacchi batteria, intercapedini e punti di giunzione difficile da raggiungere. Il loro obiettivo è individuare anomalie che potrebbero rappresentare un segnale precoce di una condizione di rischio. Tra queste annoveriamo:

• deformazioni;
• residui;
• contaminazione;
• disallineamenti;
• danneggiamenti localizzati;
• difetti di assemblaggio;
• tracce di stress meccanico e termico.

Tutte queste anomalie elencate sono strettamente correlate allo sviluppo di cortocircuiti interni, i quali risultano tra le principali cause di innesco del fenomeno di thermal runaway.

Gli endoscopi industriali possono essere dei validi alleati anche nella cosiddetta failure analysis post-evento, ovvero nell’ispezione delle batterie in seguito ad una fuga termica. Attraverso l’ispezione visiva è possibile documentare il percorso del danno osservando eventuali deformazioni, annerimenti o residui. Così facendo, si ricostruisce la sequenza di propagazione tra celle e si individua l’innesco del thermal runaway.

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