gli incendi delle batterie rappresentano una crescente preoccupazione per la sicurezza pubblica: ecco come ridurre il rischio

Nell’era elettronica di oggi, le batterie ricaricabili agli ioni di litio sono onnipresenti.Rispetto alle versioni al piombo-acido che hanno dominato il mercato delle batterie per decenni, le batterie agli ioni di litio possono caricarsi più velocemente e immagazzinare più energia a parità di peso.

Questi dispositivi rendono i nostri gadget elettronici e le auto elettriche più leggeri e durevoli, ma presentano anche degli svantaggi.Contengono molta energia e, se prendono fuoco, bruciano finché tutta l'energia immagazzinata non viene rilasciata.Un rilascio improvviso di enormi quantità di energia può portare a esplosioni che mettono a rischio vite umane e proprietà.

Come scienziati che studiano generazione di energia, magazzinaggio E conversione, E ingegneria automobilistica, abbiamo un forte interesse nello sviluppo di batterie sicure e ad alta densità energetica.E vediamo segnali incoraggianti che i produttori di batterie stanno facendo progressi verso la risoluzione di questo importante problema tecnico.

Un nuovo pericolo di incendio

Il trasporto urbano sta subendo un cambiamento trasformativo verso l’elettrificazione.Mentre nelle città di tutto il mondo crescono le preoccupazioni riguardo al cambiamento climatico e alla qualità dell’aria, veicoli elettrici hanno preso il centro della scena.

Allo stesso tempo, le e-bike e gli scooter elettrici stanno trasformando il trasporto urbano fornendo modi convenienti e a basse emissioni di carbonio per spostarsi nelle strade affollate e ridurre la congestione del traffico.Dal 2010 al 2022, le biciclette elettriche e gli scooter elettrici condivisi – quelli di proprietà delle reti di noleggio – hanno rappresentato più di mezzo miliardo di viaggi negli Stati Uniticittà.Le e-bike di proprietà privata si aggiungono a questo totale:Nel 2021, negli Stati Uniti sono state vendute più di 880.000 e-bike, rispetto a 608.000 auto e camion elettrici.

I veicoli a batteria rappresentano una piccola quota di incendi di automobili, ma controllare gli incendi dei veicoli elettrici è difficile.In genere, un incendio di un veicolo elettrico brucia a circa 5.000 gradi Fahrenheit (2.760 gradi Celsius), mentre un veicolo a benzina in fiamme brucia a 1.500 F (815 C).Occorrono circa 2.000 litri d'acqua per spegnere un veicolo a benzina in fiamme;spegnere un incendio di un veicolo elettrico può richiedere 10 volte di più.

Questa è una delle maggiori preoccupazioni nelle grandi città dove i veicoli elettrici sono popolari.I vigili del fuoco di New York e San Francisco hanno segnalato la gestione della situazione più di 660 incendi che coinvolge batterie agli ioni di litio dal 2019.A New York City, questi incendi hanno causato 12 morti e più di 260 feriti dal 2021 all’inizio del 2023.Chiaramente, sono necessarie pratiche di manipolazione e ricarica più sicure, nonché miglioramenti tecnici alle batterie.

Molte batterie in un veicolo elettrico

Per comprendere gli incendi delle batterie agli ioni di litio, è importante conoscere alcune nozioni di base.Una batteria contiene sostanze chimiche che contengono energia, con un separatore tra gli elettrodi positivi e negativi.Funziona convertendo questa energia in elettricità.

I due elettrodi di una batteria sono circondati da un elettrolita, una sostanza che consente alla carica elettrica di fluire tra i due terminali.In una batteria agli ioni di litio, ad esempio, gli ioni di litio trasportano la carica elettrica.Quando un dispositivo è collegato a una batteria, sugli elettrodi avvengono reazioni chimiche che creano un flusso di elettroni nel circuito esterno che alimenta il dispositivo.

I cellulari e le fotocamere digitali possono funzionare con una sola batteria, ma un’auto elettrica necessita di molta più energia e potenza.A seconda del suo design, un veicolo elettrico può contenere da decine a migliaia di singole batterie, che sono conosciute come cellule.Le cellule sono raggruppate insieme in insiemi chiamati moduli, che a loro volta sono assemblati insieme in pacchi.Un veicolo elettrico standard conterrà un grande pacco batteria con molte celle al suo interno.

Cosa provoca l'incendio della batteria

In genere, un incendio della batteria inizia in una singola cella all'interno di un pacco batteria più grande.Ci sono tre ragioni principali per cui una batteria si accende:danni meccanici, come schiacciamento o penetrazione in caso di collisione di veicoli;danno elettrico da un esterno o interno cortocircuito;o surriscaldamento.

I cortocircuiti della batteria possono essere causati da un trattamento esterno difettoso o da reazioni chimiche indesiderate all'interno della cella della batteria.Quando le batterie agli ioni di litio vengono caricate troppo rapidamente, le reazioni chimiche possono produrre aghi di litio molto affilati chiamati dendriti sull’anodo della batteria, l’elettrodo con carica negativa.Alla fine, penetrano nel separatore e raggiungono l'altro elettrodo, cortocircuitando internamente la batteria.

Tali cortocircuiti riscaldano la cella della batteria fino a oltre 212 F (100 C).La temperatura della batteria aumenta inizialmente lentamente e poi all'improvviso, raggiungendo la temperatura massima in circa un secondo.

Un altro fattore che rende difficile gestire gli incendi delle batterie agli ioni di litio è la generazione di ossigeno.Quando gli ossidi metallici nel catodo di una batteria, o nell'elettrodo caricato positivamente, vengono riscaldati, si decomporre e rilasciare gas ossigeno.Gli incendi hanno bisogno di ossigeno per bruciare, quindi una batteria in grado di creare ossigeno può sostenere un incendio.

A causa della natura dell’elettrolita, un aumento del 20% della temperatura di una batteria agli ioni di litio fa sì che alcune reazioni chimiche indesiderate si verifichino molto più rapidamente, con conseguente rilascio di calore eccessivo.Questo calore in eccesso aumenta la temperatura della batteria, che a sua volta accelera le reazioni.L'aumento della temperatura della batteria aumenta la velocità di reazione, creando un processo chiamato fuga termica.Quando ciò accade, la temperatura in una batteria può aumentare da 212 F (100 C) a 1.800 F (1000 C) in un secondo.

Gestire il problema della fuga termica

I metodi per garantire la sicurezza della batteria possono concentrarsi sulle condizioni esterne o interne alla batteria.La protezione esterna in genere prevede l'utilizzo di dispositivi elettronici, come sensori di temperatura e valvole di pressione, per garantire che la batteria non sia soggetta a calore o forza che potrebbero causare incidenti.

Tuttavia, questi meccanismi rendono la batteria più grande e più pesante, il che può ridurre le prestazioni del dispositivo che alimenta.Inoltre potrebbero non essere affidabili in condizioni di temperature o pressioni estreme, come quelle prodotte in un incidente automobilistico.

Le strategie di protezione interna si concentrano sull’utilizzo di materiali intrinsecamente sicuri per i componenti della batteria.Questo approccio offre l’opportunità di affrontare i potenziali pericoli alla fonte.

Per rendere meno intensa la fuga termica in un pacco batteria è necessario un mix di miglioramenti software e hardware.Gli scienziati stanno lavorando per sviluppare catodi che rilasciano meno ossigeno quando si rompono;elettroliti non infiammabili; elettroliti allo stato solido, che non prendono fuoco e possono anche aiutare ad alleviare la crescita dei dendriti;e separatori che possono resistere alle alte temperature senza sciogliersi.

Un'altra soluzione è già in uso: sistemi di gestione della batteria.Si tratta di pacchetti hardware e software integrati nei pacchi batteria in grado di monitorare parametri vitali della batteria, come lo stato di carica, la pressione interna e la temperatura delle celle nel pacco batteria.

Proprio come un medico utilizza i sintomi di un paziente per diagnosticare e curare la sua malattia, i sistemi di gestione della batteria possono diagnosticare le condizioni all'interno del pacco batteria e prendere decisioni autonome per spegnere le batterie in presenza di punti caldi o per alterare la distribuzione del carico in modo che ogni singola batteria non venga danneggiata. diventare troppo caldo.

La chimica delle batterie si sta evolvendo rapidamente, quindi i nuovi progetti richiederanno nuovi sistemi di gestione delle batterie.Molti produttori di batterie lo sono formare partenariati che riuniscono produttori con competenze complementari nel settore delle batterie per affrontare questa sfida.

Gli utenti possono anche adottare misure per massimizzare la sicurezza.Utilizza apparecchiature e prese di ricarica consigliate dal produttore ed evita di sovraccaricare o lasciare un veicolo elettrico collegato durante la notte.Ispezionare regolarmente la batteria per individuare eventuali segni di danneggiamento o surriscaldamento.Parcheggiare il veicolo lontano da ambienti estremamente caldi o freddi – ad esempio, parcheggiare all'ombra durante le ondate di caldo – per evitare stress termici sulla batteria.

Infine, in caso di collisione o incidente che coinvolga un veicolo elettrico, seguire i protocolli di sicurezza del produttore e scollegare la batteria, se possibile, per ridurre al minimo il rischio di incendio o elettrocuzione.