Al giorno d’oggi, le batterie ricaricabili agli ioni di litio sono presenti in quasi tutti i dispositivi che necessitano di una alimentazione elettrica.
Rispetto alle versioni al piombo-acido, che hanno dominato il mercato delle batterie per decenni, le batterie agli ioni di litio possono ricaricarsi più velocemente, hanno un numero di cicli di scarica molto maggiore e immagazzinano più energia a parità di peso. Grazie a questi vantaggi, la tecnologia di accumulo agli ioni di litio rende i dispositivi elettronici e i veicoli elettrici più leggeri e durevoli. Tuttavia, come del resto per tutte le tecnologie, presenta anche degli svantaggi: se le batterie prendono fuoco, bruciano finché tutta l'energia immagazzinata non viene rilasciata e, in presenza di particolari condizioni, rilasciano enormi quantità di energia che può portare a esplosioni che possono mettere a rischio vite umane e beni.
Spesso, i media danno notizia di veicoli elettrici (EV) che hanno preso fuoco. Non sempre, però, a seguito di un incidente stradale: in alcuni casi, l’incendio si è originato improvvisamente nel banco batterie.
Statisticamente parlando, gli incendi del banco batterie degli EV sono piuttosto rari. I dati disponibili, infatti, indicano che il rischio incendio è da 20 a 80 volte maggiore per i veicoli a benzina e diesel. Addirittura, il rischio di incendio è maggiore per i monopattini elettrici e le bici elettriche.
L'azienda australiana EV FireSafe monitora in tutto il mondo gli incendi del banco batterie degli EV con passeggeri. Dal 2010 a giugno 2023, il suo database ha registrato solo 393 incendi verificatisi a livello globale, su circa 30 milioni di veicoli elettrici in circolazione. Dunque, a livello globale, EV FireSafe ha rilevato che solo lo 0,0013% dei veicoli elettrici per passeggeri è incorso nell'incendio del banco batterie dal 2010 al 2023. Sebbene sia stato difficile trovare statistiche globali simili per i veicoli a benzina e diesel, EV FireSafe ha riscontrato, per queste tipologie di veicoli, un rischio di incendio molto più elevato, pari allo 0,1%. Si tratta di oltre 80 volte il tasso riscontrato per i veicoli elettrici. Nonostante ciò, però, gli incendi del banco batterie degli EV, ma più in generale delle batterie agli ioni di litio, pongono problemi particolari di sicurezza che meritano attenzione.
Secondo EV FireSafe, circa il 95% degli incendi del banco batterie, finora registrati e verificati, possono essere classificati come Ignition Jet like - consistono in fiamme direzionali simili a getti, mentre il restante 5% può essere classificato come Vapour cloud explosion - consistono in violenti esplosioni in nubi di vapore.
Il database di EV FireSafe mostra che circa il 18% degli incendi del banco batterie si è verificato durante la ricarica dei veicoli, e il 2% entro un'ora dalla disconnessione dal caricabatterie. Per quanto riguarda il luogo, circa il 25% è avvenuto in spazi sotterranei, il 31% mentre si parcheggiava all'aperto, e il 29% durante la guida (restante 15% sconosciuto). Degli incendi con esplosione in nubi di vapore, il 70% si è verificato in spazi sotterranei, e il 30% all'aperto.
I dati ci dicono, inoltre, che il tasso di incendi del banco batterie è più elevato per gli scooter elettrici e le biciclette elettriche rispetto agli EV con passeggeri. Il motivo di questo rischio maggiore pare sia legato alla scarsa qualità della progettazione e della costruzione delle batterie, e all’uso di caricabatterie non approvati. Le auto e i camion elettrici, pur adottando la medesima tecnologia, hanno però sistemi più sofisticati - presentano, ad esempio, sistemi di raffreddamento avanzati che mantengono le batterie a temperature ottimali durante la guida quotidiana e la ricarica - e ciò li rende molto più sicuri degli e-scooter e delle e-bike.
Ma cosa provoca gli incendi del banco batterie dei veicoli elettrici?
Per comprendere gli incendi del banco batterie degli EV, è importante conoscere alcune nozioni di base delle batterie agli ioni di litio.
Figura 1. Schema di una batteria agli ioni di litio
In generale, una batteria è composta da due elettrodi immersi in un elettrolita - una sostanza che consente alla carica elettrica di fluire tra i due terminali. In una batteria agli ioni di litio, il catodo è realizzato con un composto di litio, l’anodo con grafite o titanato di litio, e l’elettrolita con sali di litio. La carica elettrica è trasportata, ovviamente, dagli ioni di litio. Quando un dispositivo è collegato a una batteria agli ioni di litio, agli elettrodi avvengono reazioni chimiche che creano un flusso di elettroni nel circuito esterno che alimenta il medesimo dispositivo.
I nostri smartphone e fotocamere digitali possono funzionare con una sola batteria agli ioni di litio, ma un'auto elettrica necessita di molta più energia. A seconda del modello, un veicolo elettrico può contenere da decine a migliaia di singole batterie, denominate celle. Le celle sono raggruppate insieme in elementi chiamati moduli, che a loro volta sono assemblati insieme in un banco batterie. Un veicolo elettrico standard può contenere un gran banco batterie con molte celle al suo interno.
Figura 2. Schema del banco batterie
In genere, l'incendio del banco batterie inizia in una singola cella, per poi propagarsi alle batterie vicine e, successivamente, all'intero del banco batterie. Qui, a causa di un surriscaldamento, si può innescare un fenomeno, denominato “fuga termica”, che in casi estremi può portare alla combustione o, addirittura, all’esplosione della cella. Nello specifico, si ha che, a causa di particolari sollecitazioni meccaniche, elettriche e termiche, si genera un cortocircuito interno alla batteria che sprigiona un'elevata quantità di calore. Questo calore intensifica il grado delle reazioni elettrochimiche (esotermiche) interne alla batteria causando un'eccessiva generazione di calore, che a sua volta intensifica ulteriormente il grado delle reazioni elettrochimiche. Si innesca così una reazione a catena (fuga termica) che fa aumentare notevolmente la temperatura della batteria e rilasciare grandi quantità di gas infiammabili. Il rilascio di questi gas provoca un aumento della pressione interna della batteria con conseguente espansione dell'involucro esterno, che può portare all’esplosione e incendio della medesima batteria.
Figura 3. Schema della fuga termica
Il corto circuito interno alla cella può essere causato da uno schiacciamento della medesima cella o dalla penetrazione in essa di un oggetto esterno a seguito, ad esempio, di uno scontro del veicolo. Oppure, può essere provocato da un corto circuito esterno alla cella a seguito dell'esposizione della stessa all'acqua e a scariche elettriche, nonché per effetto della contaminazione dei conduttori e della deformazione della cella durante un incidente. Anche il sovraccarico elettrico della cella può generare la fuga termica, a causa dell'eccessiva energia immagazzinata: una volta che la cella è sovraccarica, la generazione di calore aumenta e si verificano forti riscaldamenti per effetto joule e per reazione sull'anodo e sul catodo, con conseguente forte aumento della temperatura della batteria. Infine, il corto circuito interno alla cella può essere generato da un surriscaldamento della cella dall’esterno che, provocando un aumento della temperatura interna, può fondere il separatore tra l’anodo e il catodo, con conseguente corto circuito.
Tutte queste cause possono avere diverse origini, tra cui:
- collisione del veicolo con altri veicoli o oggetti;
- difetti di fabbricazione delle celle;
- guasti generici nel banco batterie;
- utilizzo improprio del banco batterie;
- incendio doloso del veicolo.
Ad esempio, quando una batteria agli ioni di litio viene caricata troppo rapidamente, le reazioni chimiche possono produrre aghi di litio molto affilati, chiamati dendriti, sull'anodo della batteria. Col tempo, i dendriti penetrano nel separatore e raggiungono l'altro elettrodo, cortocircuitando internamente la batteria. Tali cortocircuiti riscaldano la batteria fino a oltre 212 F (100 °C), all’inizio in maniera molto lenta, poi in maniera molto rapida.
Gli incendi del banco batterie dei veicoli elettrici pongono all’attenzione nuovi problemi e devono essere gestiti con particolare diligenza per garantire la sicurezza dei vigili del fuoco e del pubblico.
Una volta che le celle sono in fiamme, può essere difficile gestirle. Gli incendi delle batterie al litio avvengono a temperature estremamente elevate (2.760 °C, a fronte dei 815 °C di un veicolo a benzina), possono durare giorni e causare danni estesi. Spesso si riaccendono proprio quando il fuoco sembra essersi spento. Se non gestiti adeguatamente, gli incendi del banco batterie degli EV possono emettere gas e sostanze chimiche altamente tossiche per molte ore - questo è il motivo per cui gli incendi degli EV rappresentano una preoccupazione particolare nei spazi ristretti, come un garage, dove i gas nocivi possono accumularsi rapidamente.
Un fattore che rende difficile gestire gli incendi del banco batterie degli EV è la generazione di ossigeno. Quando gli ossidi metallici nel catodo di una cella vengono riscaldati, si decompongono e rilasciano gas di ossigeno, e come sappiamo gli incendi hanno bisogno di ossigeno per bruciare. Dunque, il banco batterie è in grado di generare l’ossigeno che può alimentare la propria combustione.
Uno dei metodi per controllare l’incendio di un EV prevede il raffreddamento del banco batterie con acqua. Tuttavia, a fronte dei circa 2.000 litri d'acqua per spegnere l’incendio di un veicolo a benzina in fiamme, per spegnere un incendio di un veicolo elettrico ne sono necessari 10 volte di più. Inoltre, l’uso dell’acqua potrebbe provocare un disastro ancora maggiore: la reazione dell'acqua con il litio produce gas idrogeno infiammabile, aggiungendo così ulteriore rischio di incendio a una situazione già pericolosa. Spesso, può essere più sicuro semplicemente lasciare che l'incendio si consumi totalmente, come consiglia Tesla nella guida per il Modello 3.
È evidente, allora, che per gestire gli incendi dei veicoli elettrici, è necessario addestrare adeguatamente le squadre antincendio.
Le tecniche per garantire la sicurezza delle batterie agli ioni di litio possono concentrarsi sulle condizioni esterne o interne alla batteria.
La strategia di protezione esterna è costituita dai sistemi di gestione delle batterie. Si tratta di pacchetti hardware e software integrati nel banco batterie in grado di monitorare parametri vitali delle celle, come lo stato di carica, la pressione interna e la temperatura. Proprio come un medico utilizza i sintomi di un paziente per diagnosticare e curare la sua malattia, i sistemi di gestione delle batterie possono diagnosticare le condizioni meccaniche e termiche all'interno del banco batterie che potrebbero causare guasti, e prendere decisioni autonome per spegnere le celle, in presenza di punti caldi, o per alterare la distribuzione del carico in modo che ogni singola batteria non diventi troppo calda. Tuttavia, questi meccanismi rendono la batteria più grande e più pesante, il che può ridurre le prestazioni del dispositivo che alimenta. Inoltre, potrebbero non essere affidabili in condizioni di temperature o pressioni estreme, come quelle prodotte in un incidente automobilistico.
Le strategie di protezione interna si concentrano sull’utilizzo di materiali intrinsecamente sicuri per i componenti della batteria. Questo approccio offre l’opportunità di affrontare i potenziali pericoli alla fonte. Gli scienziati stanno lavorando per sviluppare catodi che rilasciano meno ossigeno quando si danneggiano; elettroliti non infiammabili; elettroliti allo stato solido, che non prendono fuoco e possono anche aiutare a contrastare la crescita dei dendriti; e separatori che possono resistere alle alte temperature senza sciogliersi.
Anche gli utenti possono adottare misure per massimizzare la sicurezza:
- utilizzare apparecchiature e prese di ricarica consigliate dal produttore;
- evitare di sovraccaricare o lasciare un veicolo elettrico collegato durante la notte;
- ispezionare regolarmente il banco batterie per individuare eventuali segni di danneggiamento o surriscaldamento;
- parcheggiare il veicolo lontano da ambienti estremamente caldi o freddi, ad esempio parcheggiare all'ombra durante le ondate di caldo, per evitare stress termici sul banco batterie;
- in caso di collisione o incidente che coinvolga un veicolo elettrico, seguire i protocolli di sicurezza del produttore e scollegare il banco batterie, se possibile, per ridurre al minimo il rischio di incendio.
In conclusione, le statistiche ci dicono che la tecnologia delle batterie agli ioni di litio non è meno sicura delle altre, e, nonostante ciò, il mondo della ricerca e dell'industria sta intensificando i propri sforzi per risolvere il problema della fuga termica e rendere la tecnologia ancora più sicura. Tuttavia, la mobilità elettrica pone nuovi problemi di sicurezza (incendi delle batterie) che devono essere gestiti con nuove procedure al fine di garantire la sicurezza dei vigili del fuoco e del pubblico.