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Informazioni sulla sicurezza termica delle batterie agli ioni di litio

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Informazioni sulla sicurezza termica delle batterie agli ioni di litio

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Nel campo del trasporto sostenibile, la gestione termica delle batterie agli ioni di litio (LIB) nei veicoli elettrici è un'area di ricerca chiave, fondamentale per migliorare l'efficienza del sistema energetico e garantire la sicurezza. I sistemi di gestione termica delle batterie (BTMS) svolgono un ruolo decisivo nel mantenere le LIB all'interno dell'intervallo di temperatura ottimale, contribuendo a ottimizzare le prestazioni della batteria e a prolungarne la durata. Questo settore si trova ad affrontare sfide significative, principalmente legate al surriscaldamento e agli sbalzi di temperatura delle BIB, che possono compromettere la sicurezza e le prestazioni delle batterie, accelerarne l'invecchiamento e ridurre la capacità di accumulo dell'energia e, in casi estremi, portare addirittura al thermal runaway (TR) e a rischi di incendio o esplosione.



L'innovazione dei materiali a cambiamento di fase (PCM) e di altre tecnologie BTMS ha migliorato la dissipazione del calore e la prevenzione dei TR, aumentando la sicurezza e la densità energetica delle batterie; lo studio della generazione termica nelle LIB sta diventando sempre più importante, soprattutto per il suo impatto sulle prestazioni e sulla sicurezza delle batterie; attualmente esistono diversi metodi innovativi per la gestione termica dei veicoli elettrici, ma ci sono ancora sfide chiave che richiedono ulteriori ricerche approfondite.



1.Gestione termica delle batterie agli ioni di litio
La gestione termica delle batterie agli ioni di litio è fondamentale per il loro funzionamento efficiente e sicuro, soprattutto in applicazioni come i veicoli elettrici e i sistemi di accumulo di energia. Esistono tre tipi di gestione termica: sistemi attivi, passivi e ibridi, ciascuno con caratteristiche uniche adatte a diverse applicazioni e requisiti.



Sistema attivo: l'utilizzo di mezzi meccanici o elettrici (come pompe e ventole) per regolare la temperatura della batteria, compresi i metodi di raffreddamento ad aria e a liquido, ha un buon effetto di dissipazione del calore, ma aumenta il consumo di energia del sistema, riduce l'efficienza complessiva della batteria ed è più complesso e costoso nella progettazione.



Sistemi passivi: utilizzano tecnologie come PCM e tubi di calore, si affidano a processi naturali come la conduzione e la convezione per il trasferimento del calore, non richiedono energia aggiuntiva, hanno una maggiore efficienza energetica e un design più semplice, ma possono incontrare difficoltà quando si tratta di carichi di calore elevati o temperature estreme, e alcuni materiali (come i PCM) possono avere una bassa conducibilità termica e perdite dopo la fusione.



Sistema ibrido: La combinazione di metodi attivi e passivi, come l'integrazione dei PCM con sistemi di raffreddamento ad aria o a liquido, può migliorare il controllo della temperatura evitando l'elevato consumo energetico dei sistemi completamente attivi, ma richiede un'attenta progettazione e un'ingegneria avanzata per raggiungere l'equilibrio ottimale tra efficienza energetica ed efficacia della gestione termica.



La scelta di un sistema di gestione termica adeguato richiede la considerazione di fattori quali le dimensioni della batteria, la durata di vita e la velocità di scaricamento della carica. Nuovi materiali come i nano PCM e tecnologie avanzate di raffreddamento e riscaldamento stanno migliorando l'efficienza e la sicurezza di questi sistemi, contribuendo ad aumentare l'adozione delle batterie in varie applicazioni, a ridurre i costi e a incoraggiare l'uso di fonti di energia più pulite e sostenibili. Inoltre, l'integrazione e la compatibilità di questi sistemi con il design complessivo del sistema EV o di stoccaggio rappresenta una sfida. Molti studi hanno proposto vari miglioramenti progettuali per aumentare l'efficienza dei BTMS.



I BTMS presentano sfide significative, soprattutto in condizioni operative difficili. Un limite fondamentale è la bassa conducibilità termica dei PCM, che porta a una distribuzione non uniforme della temperatura all'interno delle celle della batteria e ha effetti negativi sulle prestazioni e sull'efficienza delle LIB. In casi estremi, come tassi di scarica superiori a 1°C o temperature ambientali superiori a 35°C, questo problema può essere esacerbato e la differenza di temperatura tra le singole celle può essere inferiore a 3°C, con un impatto significativo sulle prestazioni e sulla durata delle LIB.



Inoltre, gli attuali BTMS presentano limiti sostanziali, soprattutto in scenari di ricarica rapida e con temperature ambientali elevate, che possono portare a una bassa efficienza di gestione termica e a un aumento del rischio di TR.



2.Innovazione nei metodi di raffreddamento per i sistemi di gestione delle batterie
I progressi della tecnologia di refrigerazione sono significativi sia in ambito monofase che multifase. Il design della refrigerazione monofase è semplice, ma la sua capacità di trasferimento del calore è relativamente limitata rispetto alla tecnologia multifase. Nel raffreddamento monofase, sono stati esplorati nuovi nanofluidi per migliorare la conduttività termica e l'efficienza del trasferimento di calore. I sistemi di raffreddamento immersivo hanno anche una buona efficienza di regolazione termica. Nella refrigerazione multifase, i refrigeranti tradizionali come gli HFC e gli HCFC hanno un impatto sull'ambiente. Pertanto, l'esplorazione di nuovi fluidi dielettrici con punti di ebollizione più bassi è fondamentale per prolungare la durata delle batterie e migliorarne la sicurezza, introducendo modelli di gestione termica.



Le innovazioni nei materiali e nelle strutture stanno modificando l'efficienza termica, come l'uso di PCM per mantenere la temperatura della batteria entro un intervallo di sicurezza, ma con una bassa conducibilità termica, che può essere affrontata introducendo matrici metalliche altamente conduttive e aggiungendo nanoparticelle metalliche o materiali porosi; le piastre di raffreddamento a microcanali possono gestire efficacemente la temperatura dei pacchi batteria, ma la produzione è complessa e costosa; la struttura ibrida combina i vantaggi dei sistemi di raffreddamento passivi e attivi, ma aumenta il peso e la complessità; materiali innovativi come il grafene possono migliorare la dissipazione del calore, ma il costo di produzione è elevato. Nonostante i progressi significativi nel miglioramento dell'efficienza termica, ci sono ancora sfide come l'ottimizzazione dei costi, la semplificazione dei processi produttivi e l'integrazione efficace che richiedono una ricerca e uno sviluppo continui per affrontare queste sfide e sfruttare appieno i vantaggi della tecnologia avanzata.



3.Le sfide delle batterie agli ioni di litio in condizioni estreme


A temperatura ambiente: sotto il 10% di SoC, la temperatura della batteria è relativamente stabile. Quando inizia la fase 4C (12A), la temperatura sale a 54°C. Questo aumento di temperatura ha attirato una notevole attenzione a livello di pacco batteria, sottolineando la necessità di strategie di carica precise per mitigare i rischi di surriscaldamento e garantire la sicurezza e l'integrità operativa a lungo termine del pacco batteria. In definitiva, per ottenere una carica sicura e veloce per queste batterie è necessario un equilibrio tra il livello di SoC richiesto e strategie efficaci di gestione della temperatura per evitare il runaway termico.



Test di temperatura estrema: Test di carica rapida a temperature estreme (-10°C, 10°C, 45°C e 60°C), registrando la variazione di temperatura Δ T del test di carica rapida per il confronto. Questo è un buon metodo per confrontare test di temperatura diversi con temperature iniziali diverse.



Risultati dei test ad alta temperatura: Per quanto riguarda i test ad alta temperatura, è chiaro che i 45°C sono i più vantaggiosi per la ricarica rapida, in quanto la fase di alta corrente dura più a lungo rispetto alle altre temperature elevate. Quando la temperatura scende a quella ambiente (25°C), la fase di alta corrente si accorcia a causa della maggiore resistenza rispetto ai 45°C. A 60°C, la fase di corrente costante (CC) è più breve rispetto ai 45°C, il che può essere attribuito alla maggiore resistenza causata dall'invecchiamento accelerato in questo ambiente.



Le condizioni di prova estreme di 60°C hanno determinato un aumento significativo della resistenza, legato alla crescita dello strato di interfaccia elettrolitica solida (SEI) sull'elettrodo negativo di grafite. L'aumento della temperatura di ciclo porterà a un aumento del rivestimento di litio durante il processo di ciclo, con conseguente rilevamento di depositi sull'elettrodo di grafite. Pertanto, il test di carica rapida a 60°C potrebbe aver innescato il deposito di litio sull'anodo, aumentando la resistenza interna.



Risultati dei test a bassa temperatura: In ambienti a bassa temperatura, la fase di alta corrente è significativamente influenzata. A 10 °C e meno, a causa della maggiore resistenza interna, la fase CC è più breve rispetto a quella a 25 °C. In particolare, a -10 °C, la curva di corrente inizialmente diminuisce, ma si verifica un breve aumento man mano che la carica prosegue. Ciò è dovuto all'evoluzione della resistenza: all'inizio del test di carica rapida, la resistenza è relativamente alta e, con l'aumento della temperatura della batteria, la resistenza diminuisce, dando luogo alla curva di corrente osservata. In generale, le condizioni di bassa temperatura non sono favorevoli alla ricarica rapida, in quanto occorre il doppio del tempo per raggiungere l'80% della carica a 10 °C. Pertanto, è necessario sviluppare una strategia di gestione termica pre-trattamento per ottimizzare la ricarica rapida in questo ambiente.



4.Costruzione
Questo articolo si concentra sugli aspetti fondamentali dello sviluppo sostenibile e sicuro delle batterie agli ioni di litio, in particolare in applicazioni chiave come i veicoli elettrici e i sistemi di accumulo di energia. È stata sottolineata l'importanza cruciale dei sistemi di gestione termica delle batterie per mantenere le LIB nell'intervallo di temperatura ottimale, ottimizzarne le prestazioni e prolungarne la durata. Il surriscaldamento e le variazioni di temperatura possono compromettere la sicurezza e le prestazioni della batteria, accelerarne l'invecchiamento e ridurne la capacità di accumulo di energia.