LA TOMOGRAFIA PER LA VERIFICA DELLE BATTERIE
IL RISCHIO DI INCENDIO CON LE BATTERIE,
LA TOMOGRAFIA COME STRUMENTO DI CONTROLLO
La perdita catastrofica di una batteria può causare conseguenze gravi, come danni ad altri elementi del sistema e/o lesioni umane o morte.Il guasto di una cella può essere il risultato di una concomitanza di eventi, dalla progettazione della cella ai difetti nella costruzione, abuso esterno (termico, meccanico, elettrico), cattiva progettazione o deficit nella fabbricazione dell'assieme della batteria, dell'elettronica o della scarsa attrezzatura di supporto durante l'assemblaggio e il suo controllo finale.I principali rischi delle batterie sono generalmente il risultato di cortocircuiti esterni o interni, temperature alte o basse, sovraccarico o scarica eccessiva.Questi meccanismi possono provocare reazioni esotermiche all'interno della batteria.Quando le temperature diventano sufficientemente elevate, o è presente una fonte di accensione che innesca i gas infiammabili rilasciati dalla batteria.Nell'ultimo decennio, la tomografia a raggi-X ha consentito di verificare la struttura e Indagare i difetti interni nascosti nelle batterie sigillate senza aprirle fisicamente, fornendo informazioni qualitative sul suo funzionamento e il degrado nel lungo periodo.
"Struttura interna di una batteria"Nuovi concetti di batteria come le batterie a stato solido possono richiedere un design della microstruttura completamente nuovo.
"Struttura di una batteria per smartphone"
I rischi di incendio associati alle batterie agli ioni di litio, e man mano che più veicoli alimentati da batterie Litio-ione (o come vengono comunemente indicati "LIB") diventano operativi in tutto il mondo, è probabile che il loro coinvolgimento negli incidenti stradali aumenterà, con l'incremento della loro presenza sulle strade il coinvolgimento diventerà sempre più presumibile."Alcuni immagini di incendi"Esiste la possibilità, come nei veicoli alimentati in modo convenzionale, che l'energia immagazzinata a bordo possa diventare un pericolo per la sicurezza delle persone coinvolte in un incidente.I rischi associati ai veicoli convenzionali sono ben definiti e generalmente accettabili dalla società; tuttavia, sono necessari tempo e istruzione per raggiungere questo livello di sicurezza per i veicoli elettrici alimentati da LIB.Video e notizie di incendi e fumo che escono da telefoni e laptop, nonché sulle autovetture o la maggiore diffusione, hanno dato notorietà alle LIB.Questi casi illustrano chiaramente cosa può accadere alle LIB quando sono presenti componenti anomali che ne garantiscono il sicuro funzionamento.ALCUNE TIPOLOGIE DI BATTERIE:POUCH (Sacchetto) PRISMATICA CILINDRICA BOTTONE"Custodie di Batterie""Caratteristiche interne"CELLA POUCH (SACCHETTO)La cella pouch presenta il vantaggio di poter essere realizzata praticamente con qualsiasi geometria e di avere dimensioni scalabili.La cosiddetta "cella a sacchetto" è inoltre relativamente facile da produrre, rispetto ad altri tipi di celle, ma per garantire un funzionamento sicuro, richiede molto più impegno nell'impacchettamento per creare i diversi moduli.La struttura attualmente più frequente per le celle nel settore automotive è caratterizzata da una buona dissipazione termica e dalla semplice gestione dell'energia.Ciò è reso possibile dalla libertà di posizionamento dei dissipatori e dall'impilamento degli elettrodi (anodo su catodo, isolati da un separatore).
"Batteria Pouch"CELLA PRISMATICALa cella prismatica è formata da pacchetti di anodi e catodi impilati, il cosiddetto stack.Il formato metallico rigido dell'alloggiamento permette di contenere lo spazio necessario per il packaging delle celle nel modulo.La produzione dell'alloggiamento delle celle prismatiche è effettivamente più dispendioso, ma offre molta sicurezza e densità d'energia a livello di modulo.La cella prismatica è caratterizzata da una combinazione pressoché perfetta di densità d'energia e sicurezza per una lunga durata utile. Attualmente è il formato più utilizzato per le celle nelle auto elettriche.
"Difetti in una cella"CELLA CILINDIRCALa cella cilindrica è una tecnologia consolidata nella produzione di batterie.Nella costruzione di auto spesso si utilizza il tipo 21700.A causa della sua forma costruttiva, la capacità massima di questo tipo di cella è limitata.Pertanto, per ottenere molta potenza occorrono molte celle.Diversamente dalle celle pouch o prismatiche prevalentemente impilate, le celle cilindriche sono formate ciascuna da un solo anodo e un solo catodo, isolati da un separatore, che vengono avvolti per formare un rullo cilindrico.A livello di modulo si hanno però notevoli sprechi di spazio, data la loro forma rotonda.
"Batteria cilindrica"BATTERIA A BOTTONELa prima tipologia di batteria a bottone era caratterizzata da una configurazione area-zinco e fu progettata nel corso del 1914.Inizialmente questa tipologia di batteria, ancora nel suo stato embrionale, si distingueva per i suoi notevoli ingombri, ma con il passare degli anni si arrivò ad una riduzione sempre maggiore delle dimensioni fino ad ottenere volumi estremamente ridotti durante gli anni 70.Oggi, le ormai vecchie batterie zinco-aria, sono state sostituite dalle più moderne ed efficienti versioni a litio in grado di essere utilizzate in una vasta gamma di dispositivi di piccolissime dimensioni erogando una notevole quantità di energia, nonostante i ridotti ingombri, ma senza il rischio di incendio.
"Batteria a Bottone"BATTERIA PER AUTO ELETTRICHELe auto elettriche sono il futuro del settore della mobilità, e tutti sanno che il cuore di queste vetture è la batteria di trazione.In questo grande accumulatore viene immagazzinata l’energia che alimenta il motore elettrico con zero emissioni locali.Pur essendo simili alle normali batterie usate per altri apparecchi, come PC o smartphone, quelle per auto elettriche hanno delle differenze e delle caratteristiche proprie, e possono inoltre distinguersi per aspetti fisici, chimici e di assemblaggio.La cella, l’elemento base delle batterie.Con il nome generico di batteria si intende l’insieme di singole celle energetiche, ognuna delle quali è in grado di immagazzinare una certa quantità di energia, e collegata con tutte le altre celle fornisce poi la potenza elettrica necessaria a generare il movimento del motore.In base al veicolo in oggetto ed alle caratteristiche tecniche, in una batteria possono esserci da poche decine di celle, fino a migliaia, con diversi gradi di complessità costruttiva.Le celle non sono tutte uguali, ma sono anzi costruite con forme e materiali diversi.I formati più comuni in ambito automobilistico sono tre.Ad oggi tutte le tre tipologie vengono utilizzate nelle auto elettriche, in base alle scelte progettuali.Troviamo le celle Pouch, celle Prismatiche e le celle Cilindriche, che a loro volta possono differenziarsi per diametro e altezza.celle Moduli Batteria Assemblaggio"Composizione di una batteria per auto elettrica""Batteria con celle di litio"I LIB sono tipicamente costituiti da quattro parti principali: catodo, anodo, separatore, ed elettrolita. I catodi e gli anodi sono i portatori di carica contribuendo allo stoccaggio e al rilascio di energia.Il separatore divide fisicamente gli elettrodi per evitare cortocircuiti interni consentendo il flusso di energia.Il malfunzionamento di queste parti, insieme o singolarmente, può avere effetti negativi e influenzare la sicurezza del LIB.Se un separatore è danneggiato, la batteria da un funzionamento controllato crea delle reazioni elettrochimiche incontrollate, con significativa generazione di calore.Durante il funzionamento, gli elettrodi producono calore, questi meccanismi possono provocare reazioni esotermiche all'interno della batteria, che potrebbe diventare incontrollabile durante il suo normale funzionamento.Quando le temperature diventano sufficientemente elevate, o diventa una fonte di accensione per i gas infiammabili rilasciati dalla batteria si innesca l'incendio.In tali casi, l'elettrolito funge da combustibile fornendo un ulteriore generazione di calore, quindi adeguati test tomografici possono evitare componenti difettosi o danneggiati, mitigando la possibilità di guasti nella batterie, sono essenziali per migliorare le prestazioni di sicurezza delle batterie."Immagine interna di una Batteria"CORTOCIRCUITO INTERNO DELLA CELLALa causa di guasto più pericolosa è quella di un cortocircuito interno della cella.Questo evento catastrofico può verificarsi molto improvvisamente e senza preavviso.Questo può essere il risultato di difetti di fabbricazione o danni fisici dovuti alla crescita dei dendriti o alla deformazione meccanica.Quando si verifica il cortocircuito interno, il danno che ne deriva è spesso grave.La cellula scarica la sua energia attraverso il cortocircuito.Quando la corrente elettrica passa attraverso il materiale conduttore, produce calore.Questo meccanismo può essere indicato come generazione di calore Joule.In questa zona, il riscaldamento rapido può innescare un ulteriore auto riscaldamento e un'instabilità termica.
"Visione della mancanza materiale"Che il cortocircuito interno desta la maggior preoccupazione è chiaro che ciò è particolarmente inquietante se si tiene conto del fatto che questo tipo di guasto si verifica nelle batterie conformi agli standard del settore.Ciò è dovuto a errori di fabbricazione, come bave, disallineamento del pacchetto di elettrodi o separatori perforati.
"Disallineamento del pacchetto di elettrodi"Nello studio del comportamento delle celle LIB di grande formato, ovvero quelle utilizzate per applicazioni automobilistiche, e il loro comportamento durante un cortocircuito interno della cella.Spiegano il meccanismo come la creazione di un anello di corrente all'interno di uno strato di elettrodi in cui si trova il cortocircuito.Quando si forma l'anello, l'energia viene scaricata attraverso questo strato di elettrodo, tuttavia, questo sollecita anche tutti gli altri strati, che generano una grande quantità di corrente a causa del cortocircuito.Questo riscalda l'intero modulo della batteria."Punti ci cortocircuito"
"Deformazione lamellare"DEFORMAZIONE MECCANICA E IMPATTOLa deformazione meccanica può anche innescare un cortocircuito interno e potenzialmente provocare un incendio.Una forte deformazione può essere il risultato di determinate condizioni di urto o impatto con il suolo.Devono essere evitate gravi deformazioni del pacco batteria.Il sistema ad alta tensione può essere danneggiato, provocando cortocircuiti e archi elettrici e può anche causare la fuoriuscita di liquidi infiammabili e conduttivi.Il rischio peggiore in un incidente d'auto sarebbe la combinazione di gas di scarico o perdite di fluidi con fonti di accensione come archi elettrici o superfici calde.Ciò potrebbe portare a uno scenario catastrofico che deve essere ritardato per consentire ai passeggeri, potenzialmente intrappolati, di fuggire dal veicolo.La gravità dell'esito di un cortocircuito interno, derivante dalle condizioni di incidente, dipende da una moltitudine di fattori.Implica l'interazione tra il contatto meccanico, la generazione di calore e la scarica elettrica, che può o meno provocare un'instabilità termica.I pacchi batteria sono generalmente collocati in aree rigide e rinforzate delle autovetture.
"Deformazione di una Batteria"CARICALe LIB sono progettate per ricevere e immagazzinare una certa quantità di energia in un determinato periodo di tempo.Quando questi limiti vengono superati, a causa di una carica troppo rapida o di un sovraccarico, le prestazioni della cella potrebbero peggiorare o addirittura la cella potrebbe non funzionare.Il livello di carica delle batterie è normalmente definito in termini di stato di carica (SOC).I loro limiti operativi possono essere definiti da 0-100%, il che significa che una batteria al 100% SOC è considerata completamente carica alla sua capacità nominale.Tuttavia, la piena capacità della batteria normalmente va oltre la sua capacità nominale, sia ai limiti superiore che inferiore.Il sovraccarico può verificarsi quando la tensione della cella viene rilevata in modo errato dal sistema di controllo della carica, quando il carica batterie si guasta o quando ne viene utilizzato uno sbagliato.In caso di sovraccarico, il materiale dell'anodo può diventare eccessivamente litiato.Di conseguenza, l'intercalazione del litio cessa e i depositi di litio metallico sull'anodo.Questi depositi possono crescere in dita metalliche comunemente denominate "dendriti".Man mano che crescono, possono raggiungere il punto in cui penetrano nel separatore e provocano un cortocircuito interno.Al catodo accade il contrario. In questo caso, il sovraccarico può comportare la delitiziazione al punto in cui il catodo si decompone termicamente e genera calore."Batteria incendiata"SCARICAQuando il LIB viene scaricato, gli ioni di litio fluiscono dal collettore di corrente negativa e dall'anodo al collettore di corrente positivo e al catodo. Tuttavia, se il livello di scarica diventa troppo elevato, il collettore di corrente negativa, costituito da rame, può dissolversi.Di conseguenza, nell'elettrolita vengono rilasciate piccole particelle di rame conduttive che aumentano il rischio di un cortocircuito interno.Può anche portare all'evoluzione di idrogeno e ossigeno, sfiato cellulare e placcatura sul catodo.L'abuso di sovra scarica si verifica quando si scaricano le celle della batteria al di sotto della loro tensione minima.Nell'improbabile eventualità in cui quattro celle della batteria siano in serie e una di esse sia completamente scarica (0 V), ciò potrebbe portare a un'ulteriore scarica della cella vuota. In questo caso la polarità della cella si inverte.RUNAWAY DI UNA CELLA LITIO-IONEIl runaway o thermal runaway di una cella Litio-ione rappresenta l’evento indesiderato che porta alla rottura catastrofica della cella, con sviluppo di esplosione ed incendio: il cosiddetto “caso (di guasto) peggiore”. E’ necessario precisare cosa si intende con queste locuzioni.Innanzitutto, il termine runaway è riferito al corpo di reazioni chimiche non desiderate che porta alla decomposizione di una o più sostanze chimiche presenti in una cella Litio-ione.Tali reazioni sono reazioni fuggitive auto catalitiche o runaway reaction la cui esistenza è stata la fonte di incidenti gravissimi avvenuti nell’industria chimica di processo e il cui comportamento è stato studiato successivamente con tecniche calorimetriche.
"Struttura interna materiale"FATICA MECCANICAGli elettrodi delle celle al litio si espandono e si contraggono durante la carica e la scarica a causa del effetto dell'intercalazione degli ioni di litio dentro e fuori la struttura cristallina dei elettrodi.Le sollecitazioni cicliche sugli elettrodi possono eventualmente portare alla rottura delle particelle che compongono l'elettrodo con conseguente aumento dell'impedenza interna, man mano che la cella invecchia, o nel peggiore dei casi, una rottura dello strato dell'anodo che potrebbe portare a un surriscaldamento immediato guasto cellulare.Un processo simile, possibilmente aumentato dal rilascio accumulato di piccole quantità di gas dovuto al lento deterioramento dell'elettrolita ogni volta che viene sottoposto a cicli termici, potrebbe causare rigonfiamenti della cella e infine della rottura dell'involucro della cella."Struttura meccanica"PERICOLI E FATTORI DI RISCHIOQuando una batteria si guasta, ciò può avere diversi risultati, ad es. sfiato, incendio o addirittura esplosione. Questi diversi pericoli sono stati classificati dal Consiglio europeo per la ricerca e lo sviluppo automobilistico (EUCAR).Quando si riscaldano le LIB, la loro pressione interna si accumula e alla fine la cella si rompe, se il gas rilasciato può accumularsi per creare un ambiente deflagrante, che viene incendiato provocando un'esplosione.Questo tipo di esplosione di solito non viene affrontato dai test delle batterie, tranne per alcuni recenti.I fattori che influenzano la gravità di questi rischi sono vari e complessi.Tra le altre cose, possono essere collegati alla chimica della batteria, al suo livello di carica e alla causa del guasto.
"Difetti strutturali"CONCLUSIONIIl metodo Tomografico è un metodo spazialmente non distruttivo per valutare una batteria, agli ioni di litio, senza modificare la struttura della batteria e svolge un ruolo importante nel fornire informazioni, sul possibile difetto della batteria e prevenirne cause e guasti, ma anche per rilevarne le caratteristiche strutturali interne della batteria, facilitando così l'identificazione dei potenziali guasti.A causa del complesso processo di produzione delle batterie, le analisi basate su CT, hanno già un senso durante la produzione, ed aiuta ad esempio a rimuovere i componenti difettosi dalla catena di processo ancora nella fase iniziale.Questo metodo inoltre sono utili per scoprire difetti di fabbricazione interni, come quelli microscopici contaminanti, perché si concentrano sulle prestazioni microscopiche della batteria.Le statistiche mostrano che la domanda di veicoli elettrici è aumentata fortemente negli ultimi anni e che questa tendenza continua per la maggior parte dei veicoli elettrici è il loro metodo di accumulo di energia: LIBs.Con uno scanner CT ad alta risoluzione, per esempio, l'irregolarità negli strati dei pacchetti di elettrodi diventano visibili, le delaminazioni che sono un fenomeno tipico si possono localizzare, particelle estranee ad esempio, residui derivanti dal processo di taglio sono visibili.Altri contaminanti possono essere particelle di saldatura nella cella quando i contatti sono collegati, o l'alloggiamento è sigillato.Il rischio maggiore che questi tipi di particelle estranee possa creare dei corti circuiti.Questo documento ha fornito una breve sintassi con immagini di scansioni TC, per l'analisi della batteria agli ioni di litio, ma molto è ancora possibile dimostrare e contribuire ad creare batterie sempre più sicure.Questo processo è accessibile ai ricercatori da decenni ormai, ma solo di recente è diventato più conveniente, grazie in gran parte ai progressi dell'immagine digitale a raggi-X e nella capacità di elaborazione dei attuali computer.Ciò significa che le tecniche di scansione ed elaborazione che in precedenza richiedevano ore o giorni, ora vengono completate in pochi minuti con risoluzioni e visualizzazioni ad alto valore aggiunto effettuando analisi metrologiche che sfruttano filtri, tools e capacità computazionali prima impossibili.Come evidenziato dai media e tra gli esperti del settore, c'è un urgente bisogno di migliorare la qualità e la sicurezza di questi dispositivi.Tecnologie come la tomografia computerizzata a raggi-X, stanno fornendo a ingegneri e ricercatori le informazioni necessarie per analizzare in modo più efficace i guasti, e in definitiva, migliorare la progettazione delle celle della batteria.Anche con tutta l'attenzione negativa che circonda le batterie agli ioni di litio, se prodotte correttamente, ci sono ancora molti vantaggi da esplorare e poter migliorare."Impianto di Micro-Tomografia Comet-Yxlon"La Xrayconsult è Sempre disponibili a dare informazioni su questa tecnologia, per vedere i nostri impianti premete questolink indicato: Tomografia IndustrialePer avere un Paper White su questo argomento, potete scrivere al seguente indirizzo: info@xrayconsult.itLe informazioni presentate in questo testo sono basate su fonti autorevoli e possono essere verificate attraverso la seguente bibliografia:
