Dispositivi di protezione e controllo di una cella/batteria Litio-ione
L’unico modo per assicurarci che una cella litio-ione sia sicura è controllarla attentamente, altrimenti come visto in precedenza si innescano reazione come il “Runaway della cella” e di conseguenza la sua esplosione e incendio. I dispositivi di controllo sono presenti sia a livello di cella che a livello di singola batteria. Questi dispositivi hanno un alto livello di affidabilità, che se combinato con altre misure di sicurezza che vedremo in seguito, assicurano un rateo di guasto di una cella nel campo del valore 10−7 (1 cella ogni 10 milioni di celle).
A livello di cella abbiamo come dispositivi di protezione/controllo:
- Materiali
- SEI: Solid Electrolyte Interphase
- CID: Positive Temperature Coefficient
- Dischi di rottura o Valvole di Sfiato
Invece, a livello di singola batteria abbiamo altri strumenti come:
- Progettazione
- BMS
- PCM
Dispositivi di protezione e controllo all’interno della cella: la scelta dei materiali
Una delle prime scelte, in materia di sicurezza della cella, sono i materiali: migliori materiali vengono usati per la realizzazione della cella e maggiore saranno la sicurezza e le prestazioni. I catodi hanno diversi potenziali di equilibrio e di capacità: più aumenta il potenziale e la capacità specifica e più aumenta l’energia immagazzinata. In una cella possono essere usati elettroliti infiammabili o è possibile l’aggiunta di additivi come ritardanti di fiamma che riducono la concentrazione di atomi di idrogeno. Questo genere di additivi appartengono a due gruppi: composti che contengono fosforo e composti che contengono alogeni.
Dispositivi di protezione e controllo all’interno della cella: Solid Electrolyte Interphase
Al termine della creazione di una cella litio ione essa è scarica, prima di lasciare la fabbrica tuttavia viene messa in prima carica, nel corso della quale una parte dell’elettrolita viene ridotta e i prodotti di questa reazione si deposita sulla superficie dell’anodo per formare l’interfaccia solido liquido tra il corpo dell’elettrolita e l’elettrodo di grafite. Quante interfaccia solido liquido viene chiamata Solid Electrolyte Interphase (SEI) e la sua funzione è quella di consentire al litio di intercalarsi all’interno della grafite ma anche di prevenire la decomposizione dell’elettrolita, diventando così fondamentale per la sicurezza della cella.
Dispositivi di protezione e controllo all’interno della cella: Positive Temperature Coefficient
Il Positive Temperature Coefficient (PTC) è un dispositivo a forma di disco costituito da un materiale con un coefficiente termico di espansione positivo. Viene utilizzato nelle celle di forma cilindrica, e si tratta di una membrana costituita da una matrice di polietilene nella quale sono dispersi materiali conduttivi. Questi in genere si trovano in testa alla cella: in caso di sovracorrente, il polimero si riscalda e si espande, e con essa l’aumento della resistività del PCT e la diminuzione del flusso di corrente all’interno della cella.
Dispositivi di protezione e controllo all’interno della cella: Dischi di rottura o Valvole di Sfiato
L’aumento della pressione interna all’interno della cella può essere provocato da diversi fattori (invecchiamento, sovra temperatura e sovraccarica) e l’aumento di essa accelera reazioni chimiche e può promuovere le reazioni di runaway. Questo processo può provocare il danneggiamento meccanico della cella con possibile rottura del contenitore e un’esplosione/incendio, consentendo attraverso la rottura del case di far entrare ossigeno, cioè comburente necessario per avviare una combustione. Per mitigare questo effetto denominato “sovrappressione”, gli ingegneri dispositivi di sfiato, che sono integrati nelle celle e consentono lo sfiato dei gas prima che la pressione raggiunga livelli critici.
