Sviluppo di moduli batterie litio-ioni per avviamento - Enea

Effetti della temperatura
Durante il funzionamento in bassa temperatura diminuisce la velocità della reazione chimica.
L'effetto di ridurre la temperatura di esercizio è quello di ridurre la velocità di trasformazione
delle sostanze chimiche attive nella cella: questo si traduce in una riduzione della capacità di
trasporto di corrente della cella, sia in carica che in scarica. In altre parole, la batteria riduce la
propria capacità di gestione della potenza.
Inoltre, a bassa temperatura, il tasso ridotto di reazione (e anche la contrazione dei materiali
dell'elettrodo) rallenta e rende più difficile l'inserimento degli ioni di litio negli spazi di
intercalazione. Come accade con il funzionamento di alte correnti, quando l’elettrodo non può
accogliere il flusso di corrente si ha conseguentemente la perdita irreversibile della capacità.
Anche l’alta temperatura può comportare diversi problemi che possono provocare la
distruzione della cella. In questo caso, l'aumento di temperatura fa ottenere maggiore potenza
dalla cella, aumentando la velocità di reazione, ma correnti più elevate danno luogo ad una
maggiore dissipazione del calore (I 2 R) e quindi anche a temperature più elevate. Questo può
essere l'inizio di un feedback positivo di temperatura e, se non viene rimosso il calore più
velocemente di quanto viene generato, il risultato sarà un incremento eccessivo della
temperatura stessa.
Diverse fasi si hanno prima che la batteria giunga ad avere una temperatura incontrollata e
ogni fase si traduce in un danno progressivamente peggiore per la cella:
La prima fase è la suddivisione di un sottile strato, denominato SEI (Solid Electrolyte
Interface), isolante per gli elettroni ma molto conduttivo per gli ioni litio, che si forma
all’interfaccia anodo/elettrolita (questo strato si crea dalla decomposizione
dell’elettrolita durante le fasi di formazione dell’accumulatore ed è di particolare
importanza per il suo funzionamento, in quanto arresta l’ulteriore decomposizione
dell’elettrolita, permettendo agli ioni di intercalare). Lo strato SEI inizia a suddividersi e
una volta che viene violato l'elettrolita reagisce con il carbonio all’anodo proprio come
aveva fatto durante il processo di formazione ma ad una temperatura elevata ed
incontrollata. Questa è una reazione esotermica che porta la temperatura a valori più
elevati.
Come la temperatura aumenta, il calore dalla reazione anodica provoca la ripartizione
dei solventi organici utilizzati nell’elettrolita rilasciando gas di idrocarburi infiammabili
(etano, metano e altri), ma senza ossigeno. La generazione di gas, a causa della
ripartizione dell’elettrolita, provoca l’aumento di pressione all'interno della cella. Anche
se la temperatura aumenta di oltre il punto di infiammabilità dei gas rilasciati
dall’elettrolita, i gas prodotti non bruciano perché non c'è ossigeno libero nella cella per
provocare un incendio. Le celle sono normalmente dotate di un foro di sicurezza che
permette il rilascio controllato dei gas in modo da alleviare la pressione interna nella
cella ed evitare la possibilità di una rottura incontrollata (esplosione) della stessa. Una
volta che i gas caldi vengono rilasciati in atmosfera possono,naturalmente, bruciare in
aria.
Successivamente il separatore di polimero si scioglie, consentendo il corto circuito tra
gli elettrodi.
Alla fine il calore della ripartizione dell’elettrolita causa la suddivisione del materiale del
catodo di ossido di metallo liberando ossigeno che consente di bruciare sia l'elettrolita
che il gas all'interno della cella.
21