Cosa succede quando la batteria di un veicolo elettrico si brucia?

Quando una batteria EV si brucia, è in genere dovuto a un fenomeno chiamato "fuga termica". In termini semplificati, è una reazione a catena che inizia quando una cella della batteria si surriscalda per qualche motivo, spesso a causa di danni fisici esterni, surriscaldamento o sovraccarico (indicati come "danni esterni"). A volte, può essere innescato da un problema interno come difetti di fabbricazione o un cortocircuito all'interno della cella della batteria (indicato come "preoccupazioni interne").

Una batteria EV in fiamme può essere particolarmente preoccupante perché, a differenza di un'auto con motore a combustione interna tradizionale, le batterie dei veicoli elettrici spesso coprono tutta la lunghezza del veicolo. Una volta che una cella in un pacco batteria EV prende fuoco, il calore può far prendere fuoco anche alle celle vicine, provocando una reazione a catena che può rapidamente inghiottire l'intero pacco batteria e potenzialmente l'intero veicolo.

Ad aggravare il problema, il tipo più comune di batteria utilizzato nei veicoli elettrici di oggi, la batteria agli ioni di litio, contiene elettroliti liquidi organici infiammabili. Ciò rende queste batterie più inclini a prendere fuoco ed esplodere se danneggiate o maneggiate in modo improprio. Inoltre, c'è un rischio specifico chiamato "dendriti di litio", che sono minuscole proiezioni aghiformi che possono svilupparsi sull'anodo durante la carica. Se questi dendriti diventano abbastanza grandi, possono perforare il separatore, causando un cortocircuito e possibilmente portando a una situazione di fuga termica.

Pertanto, l'integrità della struttura della batteria e la qualità dei separatori sono fattori cruciali per garantire la sicurezza di una batteria EV. Pertanto, le batterie di qualità vengono sottoposte a vari stress test prima di lasciare la fabbrica, incluso un test di "foratura" che simula un cortocircuito causato dal danneggiamento simultaneo degli elettrodi positivi e negativi e del separatore.

Nonostante quanto sopra, è importante notare che la fuga termica nei veicoli elettrici è relativamente rara e molti produttori, ricercatori e istituzioni stanno lavorando diligentemente per migliorare ulteriormente la sicurezza di queste batterie. Un approccio è lo sviluppo di batterie a stato solido, che sostituiscono l'elettrolita liquido infiammabile con uno solido non infiammabile. Tuttavia, a partire dal 2023, queste batterie sono ancora in gran parte in fase di ricerca e sviluppo.

Nei primi giorni di agosto 2023, un NIO ES8 si è scontrato con un pilastro stradale nello Zhejiang, in Cina, ed è esploso in fiamme in pochi secondi, causando la morte del conducente. L'incidente è ancora sotto inchiesta. Pochi giorni prima, alla fine di luglio, una Tesla Model Y e una berlina Audi si sono scontrate a Dongguan, nel Guangdong. La Tesla ha perso il controllo, ha colpito un guardrail ed è esplosa in fiamme.

Torniamo un po' indietro e troviamo una stazione di sostituzione della batteria NIO AUTO a Jiangmen, nel Guangdong, in fiamme. La causa? La batteria di un utente NIO, identificata a distanza come danneggiata da forze esterne, ha preso fuoco durante l'ispezione al ritorno alla stazione.

Questi sono gli scenari da incubo che molti appassionati di benzina resistenti all'abbraccio dei veicoli elettrici (EV) hanno immaginato, e il più difficile da alleviare: la sicurezza delle batterie EV. Questa paura non è infondata; gli incendi della batteria possono essere più allarmanti nei veicoli elettrici rispetto alle auto convenzionali. Ad esempio, la batteria di un veicolo elettrico è integrata in tutto il veicolo, rendendola soggetta a combustione totale in caso di incendio. Ancora più inquietante, mentre gli incendi di veicoli convenzionali sono generalmente associati a incidenti stradali, i veicoli elettrici a volte possono bruciare spontaneamente mentre sono a riposo, rendendo le notizie più salienti.

Le ragioni comuni di questi incidenti di "fuga termica" rientrano in due categorie: minacce esterne e preoccupazioni interne. Le minacce esterne riguardano l'abuso meccanico, l'abuso termico e l'abuso elettrico, in genere a causa di incidenti, temperature elevate, sovraccarico o scarica. Oltre a prendere fuoco in caso di grave collisione durante incidenti stradali, NIO ha anche segnalato un evento di combustione spontanea di un veicolo elettrico ES8 nel 2019 durante la manutenzione a causa di un cortocircuito causato dalla compressione della struttura del pacco batteria a seguito di un impatto sul telaio. Quasi tutti gli altri produttori cinesi di veicoli elettrici hanno segnalato casi simili.

Le cosiddette preoccupazioni interne sono multiformi. Le attuali batterie agli ioni di litio, composte principalmente da elettrodi positivi e negativi, separatori ed elettrolita, presentano i propri rischi specifici. Ad esempio, il fenomeno della placcatura al litio si verifica quando gli ioni di litio che si muovono all'interno della batteria si accumulano sulla sottile membrana che separa gli elettrodi, formando dendriti di litio. Questi dendriti possono perforare la membrana, provocando un corto circuito e un rapido accumulo di calore.

Pertanto, l'integrità della struttura della batteria e la qualità del separatore sono determinanti cruciali per la sicurezza della batteria. Le batterie di alta qualità vengono sottoposte a test rigorosi prima di lasciare la fabbrica, incluso un test di "penetrazione del chiodo" (sebbene non universalmente obbligatorio) volto a cortocircuitare danneggiando l'integrità degli elettrodi positivi e negativi e del separatore.

Con questo in mente, il percorso naturale per il miglioramento della sicurezza sembra chiaro: sostituire l'elettrolita organico infiammabile con un materiale solido immobile, senza perdite e termicamente stabile. Le batterie a stato solido sono diventate l'ovvia "prossima stazione" nella tabella di marcia del settore delle batterie per la loro sicurezza e densità energetica. Tuttavia, il viaggio verso l'adozione diffusa si è rivelato sfuggente. Nonostante l'Oak Ridge National Laboratory degli Stati Uniti abbia creato la prima batteria a stato solido già nel 1990, persistono notevoli ostacoli tecnologici.

Nel mondo delle batterie allo stato solido, esistono tre sistemi principali per i materiali elettrolitici solidi: polimeri, ossidi e solfuri. Ognuno ha i propri punti di forza e di debolezza, e tutti devono affrontare le sfide della scalabilità della produzione e del controllo di qualità inerenti alla commercializzazione.

Gli scettici deridono l'autonomia ridotta dei veicoli elettrici in inverno a causa delle scarse prestazioni a bassa temperatura delle attuali batterie a liquido, mentre anche il potenziale rischio di combustione durante la ricarica in estate è fonte di preoccupazione. Ciò sottolinea la necessità di una batteria più sicura ed efficiente in grado di gestire le esigenze di tutte le stagioni.

La sperimentazione con la stampa 3D per creare strutture complesse per elettroliti solidi ha mostrato qualche promessa. Ad esempio, i ricercatori dell'Università di Oxford hanno utilizzato la stampa 3D per costruire una struttura tridimensionale, riempita con un elettrolita solido, per migliorare la resistenza meccanica e prevenire la facile frattura. Allo stesso modo, la società statunitense Sakuu utilizza la tecnologia del getto di legante per depositare i materiali degli elettrodi richiesti e le polveri di elettroliti solidi su un substrato e "solidificarli" con reagenti liquidi.

Mentre la stampa 3D può offrire un mezzo per espandere l'area di contatto dell'interfaccia e controllare la porosità del materiale, ci sono ancora grossi ostacoli da superare prima che queste tecniche sperimentali possano essere trasformate in una soluzione valida e prodotta in serie. Bilanciare prestazioni e costi, raggiungere la scalabilità e mantenere rigorosi standard di controllo della qualità sono le sfide incombenti che mantengono queste promettenti soluzioni in laboratorio piuttosto che in viaggio.

Mentre corriamo verso un futuro sempre più elettrico, i rischi intrinseci e la costante ricerca di migliori misure di sicurezza mantengono l'industria in uno stato di mutamento. Nonostante le sfide scoraggianti, la marcia verso un'industria dei veicoli elettrici più sicura ed efficiente continua, alimentata dall'innovazione incessante e dall'impegno per un futuro sostenibile. Come sempre, il New Yorker terrà d'occhio questi sviluppi, pronto a offrire spunti e analisi sul viaggio che ci aspetta.