DEFINIZIONE
Nella chimica e nell’ingegneria chimica, con il termine Thermal Runaway ci si riferisce ad una situazione in cui un incremento di temperatura crea delle condizioni che determinano un ulteriore conseguente aumento di temperatura; ciò genera velocemente uno scostamento incontrollato delle condizioni di equilibrio del sistema.
Questo fenomeno, riferito alle batterie, può facilmente arrivare ad innescare un’esplosione, che in tal caso viene detta “esplosione termica”.
Reazioni di Thermal Runaway
Il Thermal Runaway può essere determinato dall’azione di una reazione esotermica (ovvero che sviluppa calore) e può sfociare in un’esplosione. Si parla in questo caso di reazioni di Runaway.
Cause di un Thermal runaway
Come si verifica Thermal Runaway di una batteria agli ioni di litio?
Sono diversi i fattori che possono portare al Thermal Runaway di una batteria agli ioni di litio:
1. Cortocircuito interno: può essere indotto per esempio da un incidente o da un forte impatto meccanico, come per esempio una caduta da grande altezza. Un forte shock può quindi deformare la batteria esternamente o anche solamente internamente a tal punto da rompere il separatore tra anodo e catodo. Quando i 2 terminali si toccano, generano il corto circuito.
Siccome il cortocircuito è interno, l’elettronica di sicurezza posta sui poli esterni non riesce ad intervenire, per cui il calore aumenta sempre più fino a incontrare l’effetto Thermal Runaway
2. Cortocircuito esterno: questo avviene sia nelle modalità del caso precedente, in cui a seguito di un forte shock si toccano i poli positivo e negativo. Inoltre, può avvenire anche senza alcun tipo di shock ma anche solamente a causa di mancanza di protezione o se la protezione si rompe. In questo caso, la cella senza protezione funzionante può quindi subire un corto circuito esterno quando i 2 poli si toccano, portando al corto circuito, e quindi come sopra si innesca il Thermal Runaway
3. Sovraccarica della batteria oltre la tensione massima specificata nella scheda tecnica. A seconda del grado di sovraccarico, la batteria può essere danneggiata in modo permanente e la durata della batteria diminuisce.
In caso di malfunzionamento del PCM, la tensione della batteria potrebbe superare il valore massimo di sicurezza, ampliando la temperatura a tal punto da rompere il separatore tra anodo e catodo, innescando l’effetto Thermal Runaway
4. Correnti eccessive durante il caricamento o lo scaricamento della batteria In caso di malfunzionamento del PCM, la batteria potrebbe assorbire correnti elevate superando il valore massimo di sicurezza, ampliando la temperatura a tal punto da rompere il separatore tra anodo e innescando l’effetto Thermal Runaway
Dinamica di un Thermal Runaway
Una volta iniziata l’instabilità termica della batteria agli ioni di litio, si avvia una reazione a catena inarrestabile. La temperatura aumenta rapidamente in pochi secondi e l’energia immagazzinata nella batteria viene improvvisamente rilasciata. Si creano così temperature fino a circa 400 ° C, la batteria diventa gassosa e scoppia un incendio difficilmente estinguibile con mezzi convenzionali. Il rischio di instabilità termica inizia a una temperatura di 60 ° C e diventa estremamente critico a 95-100 ° C.
Le fasi del Thermal Runaway, con conseguente potenziale esplosione, sono le seguenti:
- un guasto nel sistema di raffreddamento della batteria crea una regione all’interno del pacco con una temperatura elevata, detta “hot-spot” (dall’inglese, “punto caldo”);
- la velocità di reazione cresce in corrispondenza ed esponenzialmente all’aumentare della temperatura
- essendo la reazione esotermica, all’aumentare della velocità di reazione cresce il calore prodotto dalla reazione;
- il calore prodotto dalla reazione si traduce in un ulteriore aumento di temperatura;
- ciò provoca un ulteriore aumento della velocità di reazione, che porta ad un ulteriore aumento della temperatura e della pressione, e così via, finché la pressione all’interno della batteria non supera la pressione massima ammissibile dalle pareti della batteria stessa; questa è la fase di “autoaccelerazione”;
Il Thermal Runaway non sempre è causato dalla reazione chimica principale: può essere infatti causato da reazioni esotermiche secondarie che avvengono alle alte temperature e che si trovano in prossimità della batteria.
PREVENZIONE
Di norma, i pacchi batteria sono costituiti da diverse celle assemblate e un sistema di gestione della batteria chiamato BMS (Battery Management System). In caso di Batterie singole il sistema di monitoraggio si chiama PCM (Protection Circuit Module).
Il sistema di gestione della batteria, BMS o PCM, garantisce che la batteria resti sempre nel range di lavoro e di temperatura specificato. Ciò richiede una misurazione estremamente precisa della carica e delle correnti di scarica, della tensione della cella e della temperatura.
RIMEDI
Come può essere ridotto il rischio?
Per ridurre al minimo il rischio di fuga termica, deve essere garantita la stabilità meccanica e termica della batteria. Ciò è garantito da adeguati meccanismi di monitoraggio delle celle della batteria e del pacco batteria attraverso il BMS (Battery Monitoring System) e il PCM (Protection Circuit Module). Tali circuiti di controllo monitorano ed intervengono attivamente quando si verificano anomalie nella temperatura del pacco batteria, interrompendo immediatamente la corrente fra i contatti, ed evitando quindi esplosioni.