Ogni cella che compone la batteria agli ioni di litio è costituita da due elettrodi: un anodo negativo e un catodo positivo. Questi sono tenuti disgiunti per mezzo di un separatore. Componente essenziale è l’elettrolita a conduzione ionica.
Questo principio funzionale, sebbene sia efficiente e generalmente sicuro, presenta dei rischi relativi alla progettazione. Le celle della batteria sono caratterizzate dalla presenza di una grande quantità di energia chimica inserita in un piccolo spazio e a una distanza davvero ridotta tra gli elettrodi (lo strato separatore in genere è di ≈ 30 µm). Allo stesso tempo, gli elettrodi utilizzati sono tipicamente combustibili o materiali altamente infiammabili.
Per questa ragione, un sistema di gestione della batteria (BMS) non solo controlla e monitora lo stato del caricamento a livello di sistema e della cella ma gestisce anche la temperatura rilevata in fase di caricamento e scaricamento. Questo assicura che le celle rimangano all’interno dell’intervallo operativo definito come sicuro.
Fuga termica: lo scenario pericoloso
Uscire dall’intervallo di sicurezza della temperatura può generare la cosiddetta “fuga termica”. Quando accade, l’energia accumulata nella batteria è immediatamente rilasciata, e in pochi millisecondi la temperatura può raggiungere oltre i cento gradi. A questo punto, l’elettrolita s’infiamma oppure il gas elettrolitico esplode.
Nel corso di una fuga termica, l’elettrolita evapora al crescere della temperatura. Questo causa un innalzamento della pressione all’interno della cella fino a quando i vapori dell’elettrolita non iniziano a fuoriuscire da una valvola di sfiato o da una parete della cella danneggiata da una possibile esplosione. Senza contromisure efficaci, questa situazione genera una miscela esplosiva di gas e aria. A questo punto, basta una fonte di accensione per causare una combustione esplosiva. Inoltre, la fuga termica in un sistema a batterie si può propagare di cella in cella causando un incendio di più grandi dimensioni.
Le potenziali cause di una fuga termica possono essere esterne o interne alla cella della batteria. Nel primo caso, fattori estremi esterni, quali per esempio un principio d’ incendio , possono causare l’innalzamento della temperatura della batteria oltre il livello di tolleranza. Nel secondo caso, un corto circuito interno può generare un innalzamento pericoloso della temperatura. Quest’ultimo potrebbe essere causato da un danneggiamento meccanico esterno o da un guasto del separatore dovuto all’età o causato dalla formazione di dendrite.
Una protezione completa per prevenire la fuga termica
I test condotti nello Smart Infrastructure Fire Lab di Siemens ad Altenrhein, in Svizzera, su batterie agli ioni di litio costituite da diverse tipologie di celle (basate su ossido di litio cobalto, ossido di litio manganese, ossido di nichel litio manganese cobalto e fosfato di litio ferro) hanno dimostrato la presenza di segnali indicatori prima che la fuga termica si manifesti concretamente. Un indicatore affidabile è il degasaggio elettrolitico. Quando il gas elettrolitico inizia a svilupparsi significa che la fuga termica è imminente. Tuttavia, c’è ancora abbastanza tempo per azionare automaticamente misure di spegnimento. Questo comporta un duplice approccio: primo, l’introduzione di un agente estinguente in sufficiente concentrazione all’interno del locale che ospita la batteria prima che il separatore all’interno della cella si guasti. Secondo, procedere con lo spegnimento attraverso il sistema di gestione della batteria così da fermare l’estensione della fuga causata dal sovraccarico.
Inondare rapidamente la batteria con l’agente estinguente previene la formazione di una grande quantità di miscela elettrolita-ossigeno altamente esplosiva, riducendo così la possibilità di sviluppo di una iniziale fuga termica e inibendo la diffusione del guasto alle celle adiacenti. Questo elimina la possibilità di incendi secondari e, attraverso l’inertizzazione prolungata, il potenziale rischio di un nuovo innesco.
Fase 1: rilevazione attraverso il sistema ASD di aspirazione fumi
Nella fase 1, una protezione efficace deve offrire non solo una rilevazione antincendio affidabile ma anche una primaria rilevazione di gas elettrolitici. Questi compiti possono essere svolti dai sistemi di aspirazione fumi (ASD). Utilizzando la tecnologia a doppia lunghezza d’onda, questi sistemi rilevano in modo affidabile incendi elettrici, vapori e gas elettrolitici, anche in condizioni di alte velocità di aria e basse concentrazioni di gas.I sistemi di aspirazione fumi analizzano e monitorano continuamente campioni d’aria dei locali sensibili alla ricerca di fumo o particelle di gas. I campioni d’aria sono condotti all’interno di una camera di rilevazione brevettata nella quale un’unità specifica verifica la dimensione e la concentrazione delle particelle. Questa è in grado di rilevare anche le più piccole quantità di gas elettrolitici e di combustione.
Fase 2: spegnimento tramite gas inerte
I sistemi, non appena rilevano un incendio o la presenza di gas elettrolitici, azionano automaticamente il processo di spegnimento. Poiché l’impiego dell’acqua dovrebbe essere evitato per lo spegnimento di impianti elettrici, oltre al fatto che non è pienamente affidabile nel raggiungere incendi nascosti o covanti, le batterie sono investite da un agente estinguente gassoso introdotto tramite appositi ugelli. Il gas interviene sulla concentrazione di ossigeno che alimenta il fuoco, spegnendo così anche gli incendi più piccoli. Ma qual è l’agente estinguente più adatto? Gli agenti chimici non si possono utilizzare in questo ambito applicativo poiché, se sottoposti a condizioni di alto riscaldamento potrebbero generare prodotti pericolosi di decomposizione e richiedono una scarica prolungata per il mantenimento della concentrazione necessaria. Le alternative valide sono tre gas estinguenti naturali: l’Azoto (N2), l’Anidride carbonica (CO2) e l’Argon (Ar). Questi presentano delle caratteristiche differenti. L’Argon è un gas nobile costoso (se paragonato agli altri) usato solo per applicazioni speciali come gli incendi sui metalli. L’anidride carbonica, la più efficace di questi tre agenti naturali ma è usata principalmente nelle aree inaccessibili perché richiede una concentrazione di spegnimento troppo pericolosa per l’uomo. Per queste ragione, la soluzione estinguente più adatta nei sistemi di accumulo energetico basati su batterie agli ioni di litio è l’Azoto.
Conclusioni
Le batterie agli ioni di litio presentano rischi d’incendio peculiari. Un’applicazione specifica per la protezione antincendio deve combinare una primaria rilevazione incendio con sistemi di aspirazione fumi altamente performanti e sistemi di spegnimento basati su gas inerti.La scarica immediata dell’agente estinguente previene la formazione di quantità elevate di miscele esplosive elettrolita-ossigeno, riduce la possibilità di sviluppo di un’iniziale fuga termica e ne inibisce la diffusione nelle altre celle adiacenti evitando potenziali incendi secondari o re-inneschi. Questa soluzione completa di protezione rende gestibili i potenziali rischi correlati ai sistemi di accumulo basati sulle batterie agli ioni di litio. Nel dicembre del 2019, la soluzione “Protection Concept for Stationary Lithium-Ion Battery Energy Storage Systems” sviluppata da Siemens è stata la prima (e l’unica finora) a ricevere l’approvazione VdS (VdS numero S619002).
