Batterie al litio: cosa sono e perché possono essere pericolose

Le batterie al litio, in primo luogo quelle agli ioni di litio, sono diventate negli ultimi anni protagoniste del mercato, andando a fornire l’energia necessaria al funzionamento dei più svariati dispositivi che fanno parte della nostra quotidianità (dall’orologio da polso, al PC, all’autovettura). In questo articolo vediamo cosa sono, come funzionano, quali i vantaggi e perché possono essere pericolose.

Cosa sono

Le batterie al litio si suddividono in due grandi famiglie:

• batterie al litio ionico
• batterie al litio metallico, differenza quest’ultima fondamentale se parliamo di trasporto.

Le batterie al litio ionico sono ricaricabili (ad esempio quella installata sul nostro PC o sulla nostra ebike), mentre quelle al litio metallico sono sia ricaricabili, sia delle vere e proprie pile.

I vantaggi

I motivi del loro successo commerciale risiedono in una serie di vantaggi rispetto a quelle caratterizzate da una chimica diversa. Infatti le celle litio-ione presentano:

• un più elevato contenuto energetico,
• una più elevata densità di potenza,
• hanno una durata maggiore,
• ma presentano anche delle indubbie criticità in termini di sicurezza!

Di conseguenza, da molto tempo, la lente di ingrandimento del legislatore nazionale e internazionale è puntata su di esse in modo da:

• regolamentarne sia l’accesso nel mercato che la loro sicurezza,
• sia nell’utilizzo che nel trasporto e nello smaltimento.

Del resto all’alba del nuovo secolo, ma ancora oggi, molti incidenti anche gravi hanno avuto come protagonisti questi dispositivi.

Come funzionano

Il lettore con reminiscenze scolastiche di chimica, ricorderà che il litio è il terzo elemento nella tavola periodica. Prima di lui solo idrogeno e elio. Si tratta, quindi, del metallo più leggero ed è anche per questo che la sua adozione nel campo degli accumulatori è risultata così vincente. Le batterie, però, sfruttano in realtà il litio sotto forma di ione, cioè caricato positivamente grazie alla perdita di un elettrone.

Batterie agli ioni di litio (lithium-ion)

Le batterie agli ioni di litio (lithium-ion) sono ricaricabili. Ogni batteria è composta da due elettrodi:

• il catodo ospita un composto di litio,
• mentre l’anodo un composto tipicamente carbonioso, come la grafite.

Il litio si muove tra i due elettrodi nelle fasi di carica e di scarica.

Nella fase di carica, il litio ione migra dal catodo verso l’anodo. Nella fase di scarica, il trasferimento avviene al contrario. Questa è anche la fase in cui il sistema eroga la corrente della batteria, fornendo, quindi, l’energia necessaria al funzionamento del dispositivo all’interno del quale la batteria è installata.

Batterie litio-metallo (lithium-metal)

Le batterie litio-metallo (lithium-metal) sono anch’esse ricaricabili e sono così chiamate perché il loro anodo è composto da litio metallico puro. Questo tipo di batterie offre un’elevata capacità:

• possono immagazzinare una maggiore quantità di energia in un volume e peso ridotti rispetto alle LiIon.

Il principale problema però delle batterie Li-Metal è che esse evidenziano una più spiccata tendenza alla formazione di dendriti di litio durante i cicli di ricarica. Essi possono portare a cortocircuiti interni e problemi di sicurezza. Il fenomeno di generazione dei dendriti interessa anche i prodotti LiIon anche se in misura minore e quindi le batterie agli ioni di litio sono considerate molto più sicure e stabili.

Perché le batterie al litio sono pericolose

Una cella agli ioni di litio che contiene un elettrolita infiammabile, si basa su un complesso insieme di meccanismi interconnessi. Alterare il comportamento di questi meccanismi (dal punto di vista meccanico, termico o elettrico) può:

• sconvolgere il delicato equilibrio del sistema elettrochimico,
• portare a una varietà di guasti imprevisti e potenzialmente pericolosi,
• nel peggiore dei casi può portare all’insorgere di un “thermal runaway”.

Cos’è il Thermal Runaway

Con questo termine si descrive un processo che porta alla combustione o esplosione di batterie agli ioni di litio. Quando una batteria si surriscalda, una delle cellule può iniziare a bruciarsi. Si verifica una reazione a catena: la cellula che brucia riscalda la cellula vicina che comincia anche a bruciare. Si parla di “combustione esplosiva”.
Il “thermal runaway” è quindi una reazione a catena incontrollabile durante la quale si verificano una serie di reazioni esotermiche. Il calore prodotto è maggiore di quello rilasciato. C’è perciò un aumento incontrollato di pressione e temperatura che porta al rilascio improvviso dell’energia immagazzinata e alla conseguente rottura catastrofica della cella con il conseguente rilascio di vapori tossici e infiammabili. I frammenti vengono scagliati come proiettili nell’ambiente circostante e si generano incendi difficilmente estinguibili con mezzi convenzionali.

Il rilascio di gas è collegato alla produzione di HF (acido floridrico) che può rappresentare una grave

minaccia dal punto di vista della tossicità, specialmente per grandi batterie e in ambienti confinati.

Contenuto tratto dall’articolo di Enrico Cappella “Trasporto e stoccaggio di batterie al litio. Come predisporre una corretta gestione in azienda” pubblicato sul numero 2/2024 della rivista Ambiente & Sicurezza sul Lavoro

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