Il check-up alla sicurezza delle batterie allo stato solido
Un team di ricercatori applica modelli termodinamici a future configurazioni di batterie: per conservare la loro sicurezza attuale anche a distanza di tempo, suggeriscono di non scherzare con fattore-forma e densità di energia
Alcuni casi di incendi in grandi impianti di accumulo, e il recente affondamento del cargo Felicity Ace dopo un incendio alimentato anche dalla presenza a bordo di vetture al 100% elettriche, ravvivano l’interesse sugli aspetti della sicurezza attuale delle batterie agli ioni di litio e di quella futura.
Le alternative proposte per ridurre i rischi alla sicurezza, includono le celle LFP a base ferrosa, per la loro chimica più sicura di quella a base nichel/cobalto, le celle agli ioni di sodio (che si possono trasportare con voltaggio a zero) e quelle con elettroliti allo stato solido, oggetto di importanti investimenti globali in ricerca e sviluppo.
Una batteria all solid state sostituisce l’elettrolita liquido, nei quali sono presenti composti volatili e infiammabili, con un elettrolita solido non infiammabile. La sicurezza della batteria comporta anzitutto evitare il fenomeno del thermal runaway e secondariamente la propagazione alle celle vicine.
Mentre progressi in termini di sicurezza derivanti da questa sostituzione dell’elettrolita liquido sono già stati confermati, ulteriori studi sulla resilienza delle batterie allo stato solido con anodi in litio metallico sono i benvenuti per approfondire la conoscenza di rischi potenziali imprevisti.
In un nuovo paper apparso sulla rivista scientifica Joule, ricercatori dei Sandia National Laboratories e del Lawrence Berkeley National Laboratory guidati da Alex M. Bates hanno presentato i loro primi modelli termodinamici per valutare quantitativamente il rilascio di calore dalle batterie allo stato solido e agli ioni di litio in diversi scenari di cedimento.
I ricercatori hanno sondato i limiti superiori del rilascio di calore e dell’aumento della temperatura in diversi scenari di guasto a livello di cella con differenti configurazioni delle batterie, incluso un confronto diretto con le celle agli ioni di litio (LIB), quelle ASSB, ovvero all solid-state ancora sperimentali nella maggior parte dei casi e quelle (SSB) con elettroliti semi-solidi a cui molta accademia ed industria si sta ugualmente applicando.
Per la sua analisi, il gruppo di lavoro ha utilizzato Li7Le3Zr2O12 come materiale per l’elettrolita solido, sostenendo che i risultati possono essere estesi ad altre configurazioni che prevedono diverse architetture.
Lo studio ha rilevato che mentre allo stato attuale sono più sicure, future configurazioni di batterie allo stato solido cortocircuitate potrebbero raggiungere temperature anche più elevate rispetto a quelle delle celle agli ioni di litio con elettroliti liquidi convenzionali realizzati con composti volatili.
I risultati dei calcoli che emergono dai modelli termodinamici ai ricercatori americani suggeriscono che sia confermata la convinzione che le batterie all solid-state siano più sicure di quelle convenzionali agli ioni di litio solo quando i problemi sono dovuti a aumenti delle temperature dovuti a cause esterne. Ma questo non è confermato nei casi di corto circuito oppure quando l’integrità dell’elettrolito solido sia compromessa.
A suscitare potenziali problemi di temperature più elevate in particolare potrebbero essere in futuro nuove configurazioni di celle con anodi in litio metallico: questo perché lo stesso ammontare di calore sarebbe generato in un volume e in una massa più piccola. Nelle batterie all solid state il problema sostanziale è sempre stato la crescita di dendriti attraverso l’elettrolita solido fino a raggiungere il catodo con conseguenze critiche.
In futuro, si preoccupano i ricercatori, l’assottigliarsi dello strato di elettrolita solido a cui tende l’industria alla ricerca di maggiori densità di energia può peggiorare la capacità dell’elettrolita solido di prevenire i dendriti. Prevenire la crescita dei dendriti prima di commercializzare batterie all solid state deve quindi essere un faro più importante in termini di sicurezza rispetto alla spinta ad accontentare un pubblico attirato da alti valori di autonomia di marcia in un veicolo elettrico.
I calcoli effettuati dagli autori del paper si riferiscono ai potenziali aumenti di temperature di celle con elettroliti allo stato solido (ASSB) e semi-solido (SSB), quest’ultime caratterizzati da presenza di elettrolita liquido (LE) nel solo catodo per ridurre la resistenza interfacciale e con l’elettrolita solida a far da separatore tra gli elettrodi.
Il rischio potenziale per la sicurezza, come si nota, è visibile sul lato destro del grafico: quando i valori di temperature in caso di guasto critico di future celle con elettroliti allo stato solido (ma non quelle con elettroliti semi-solidi) potrebbero raggiungere o superare quelli delle celle attuali convenzionali.
Dai modelli termodinamici messi alla prova, l’avvertimento è che i test attuali favorevoli sulle batterie con elettroliti allo stato solido, possono non essere così indicative della totale sicurezza di future architetture proposte in celle dai formati più grandi e che inseguono densità di energie ad ogni costo.
