Sicherheit von Natrium-Ionen-Zellen: Was die Beweise wirklich sagen

“È sicura?” è la prima domanda che ci fanno, e ha ragione chi la pone. Una batteria non è un serbatoio: è un sistema elettrochimico che immagazzina energia in forma chimica e che, sollecitato oltre i propri limiti, può liberarla tutta insieme. La risposta seria non è un aggettivo, è un protocollo di prova con le sue condizioni e il suo criterio di accettazione.

Questo articolo descrive le prove di sicurezza superate dalle celle polianioniche NFPP della seconda generazione di sistemi Heiwit, con i protocolli per esteso. Nessuna prova è interessante senza le sue condizioni: “supera il test del chiodo” senza dire con che ago, a che velocità e per quanto tempo non significa nulla.

Che cosa si sta cercando di provocare

Tutte le prove che seguono hanno un unico bersaglio: la fuga termica, in inglese Thermisches Durchgehen. È il meccanismo per cui una cella danneggiata genera calore, il calore accelera le reazioni di degradazione, le reazioni generano altro calore, e il processo si autoalimenta fino all’incendio o alla rottura violenta dell’involucro.

Una prova di sicurezza è quindi un tentativo deliberato di innescare quel circolo: si perfora la cella, la si sovraccarica, la si schiaccia, la si scalda dall’esterno. Il criterio di superamento non è “non succede niente” — qualcosa succede quasi sempre — ma nessun incendio, nessuna esplosione, nessuna rottura dell’involucro.

Va detto anche che cosa una prova non dimostra. Un esito positivo su cella singola non si trasferisce automaticamente al pacco batteria completo: la propagazione da una cella alle vicine è un fenomeno di sistema, ed è l’oggetto di una norma diversa, la UL 9540A, di cui parliamo più avanti.

Le prove, una per una

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È la prova più severa e la più spettacolare. La cella si trova a 25 °C ed è completamente carica, cioè nella condizione di massima energia immagazzinata. Un ago d’acciaio da 5 mm di diametro la attraversa nel centro geometrico alla velocità di 25 ± 5 mm/s. L’ago non viene ritirato: resta conficcato nella cella, mantenendo il cortocircuito fra gli strati di elettrodo per un’ora di osservazione.

Il risultato registrato è: apertura del CID, emissione di fumo, nessuna esplosione, nessun incendio.

Il CID, Current Interrupt Device, è un dispositivo meccanico interno alla cella: quando la pressione interna supera una soglia, un disco si deforma e interrompe fisicamente il circuito. È l’ultima linea di difesa, quella che agisce quando l’elettronica non serve più a niente perché la cella è già perforata. Che il CID sia intervenuto e che l’esito si sia fermato al fumo è esattamente il comportamento che ci si aspetta da una cella progettata bene.

Sovraccarico

La cella, a 25 °C e già completamente carica, viene caricata a corrente costante 1C fino a 1,5 volte la tensione di fine carica, oppure per un’ora, a seconda di quale condizione si verifichi prima. Segue un’ora di osservazione.

È lo scenario di un guasto grave dell’elettronica di controllo: il BMS non interviene e l’inverter continua a spingere corrente in una batteria già piena. Il risultato registrato è rigonfiamento dell’involucro, nessuna perdita di liquido, nessun incendio.

Controllo termico

La cella carica viene riscaldata dall’esterno mentre contemporaneamente la si carica a corrente costante 1C. Il riscaldamento continua finché non si verifica una di queste tre condizioni: la cella entra in fuga termica, la temperatura raggiunge 300 °C, oppure passano quattro ore.

È la prova che riproduce l’incendio esterno: non la batteria che prende fuoco, ma la batteria che si trova dentro un incendio. Trecento gradi sono ben oltre la temperatura a cui una cella al litio va in fuga termica. Anche qui il criterio è nessun incendio, nessuna esplosione, nessuna rottura, e anche qui l’esito registrato si ferma all’apertura del CID e all’emissione di fumo.

Schiacciamento, cortocircuito, forno

Lo schiacciamento riproduce il danno meccanico — la caduta di un oggetto pesante, un urto in fase di trasporto o installazione — e richiede assenza di perdite di liquido e di incendio.

Die cortocircuito esterno collega i due terminali con una resistenza trascurabile; il criterio, in questo caso, è severo in modo diverso: nessuna variazione d’aspetto, cioè la cella deve uscire dalla prova visivamente integra.

La prova in forno secondo GB/T 36276-2018, la norma cinese specifica per i sistemi di accumulo elettrochimico connessi alla rete, sottopone la cella a una permanenza prolungata ad alta temperatura.

La sicurezza che viene dalla chimica, non dai dispositivi

Le prove sopra misurano il comportamento in condizioni estreme. Ma la parte più interessante è che il catodo polianionico rende quelle condizioni più difficili da raggiungere, per tre ragioni strutturali.

Genera meno calore a parità di corrente. Nella prova di scarica a correnti crescenti, a regime 4C la cella NFPP registra una sovratemperatura massima di 15,5 °C, contro i 22,1 °C di una cella LFP di riferimento. Meno calore prodotto significa un margine più ampio prima che qualunque meccanismo di innesco entri in gioco.

Tollera la scarica profonda. Portare una cella al litio sotto la sua tensione minima significa danneggiarla in modo permanente, e in certi casi creare le condizioni per un guasto successivo. La chimica polianionica sopporta la scarica profonda senza conseguenze strutturali.

Può essere portata a zero volt. È la conseguenza più singolare del fatto che, nelle celle al sodio, entrambi i collettori di corrente possono essere in alluminio — mentre una cella al litio richiede rame all’anodo, che si corrode irreversibilmente se la tensione scende troppo. Una cella al sodio può quindi essere completamente scaricata a zero volt per essere stoccata o trasportata, e poi ricaricata senza danno. Una batteria trasportata scarica è una batteria che non ha energia da liberare.

Le certificazioni delle celle

Oltre alle prove sopra, le celle dispongono dei seguenti rapporti e certificati:

• IEC 62619 — requisiti di sicurezza per celle e batterie secondarie al litio e ad altri sistemi alcalini per applicazioni industriali. È lo standard internazionale di riferimento per l’accumulo stazionario.
• UL 9540A — metodo di prova per la propagazione della fuga termica nei sistemi di accumulo. Risponde alla domanda che le prove su cella singola non affrontano: che cosa succede alle celle vicine. È il documento che i vigili del fuoco e le compagnie assicurative chiedono per gli impianti di taglia significativa.
• UN 38.3 — prove obbligatorie per il trasporto di batterie: altitudine, ciclo termico, vibrazione, urto, cortocircuito esterno, sovraccarico.
• RoHS e schede di sicurezza dei materiali — assenza di sostanze pericolose e composizione dichiarata.
• Certificazioni per il trasporto marittimo e aereo di merci pericolose.

Il sistema, non solo la cella

Un ultimo chiarimento, perché è la confusione più comune. Le prove e le certificazioni descritte qui riguardano le celle. Il sistema di accumulo completo — pacco batteria, BMS, elettronica di gestione e inverter — è oggetto di una qualifica separata, che comprende la Direttiva Bassa Tensione, la Direttiva sulla compatibilità elettromagnetica e le regole nazionali di connessione alla rete.

Le due cose sono complementari e nessuna sostituisce l’altra: una cella eccellente dentro un sistema mal progettato resta pericolosa, e un sistema ben progettato non può compensare una cella instabile.

Häufig gestellte Fragen

Le celle al sodio possono prendere fuoco?

Qualunque cella che immagazzini energia può liberarla in modo incontrollato se sollecitata abbastanza. La differenza sta nella soglia e nel comportamento oltre quella soglia. Nelle prove descritte — perforazione con l’ago lasciato dentro per un’ora, sovraccarico a 1,5 volte la tensione di fine carica, riscaldamento fino a 300 °C — l’esito si è fermato all’emissione di fumo, senza incendio né esplosione.

Che cos’è il CID?

Current Interrupt Device: un disco metallico interno che si deforma quando la pressione dentro la cella supera una soglia, interrompendo fisicamente il circuito. Agisce in modo puramente meccanico, senza elettronica, ed è l’ultima protezione disponibile quando la cella è già compromessa.

Perché si parla di stoccaggio a zero volt?

Perché nelle celle al sodio entrambi i collettori di corrente possono essere in alluminio, mentre il litio richiede rame all’anodo, che si corrode se la cella si scarica troppo. Una cella al sodio può quindi essere trasportata e stoccata completamente scarica, cioè priva di energia da liberare, e ricaricata senza danno.

La cella certificata basta a rendere sicuro l’impianto?

No. La sicurezza è una proprietà del sistema completo: cella, pacco, BMS, elettronica e installazione a regola d’arte. Le certificazioni di cella sono la base necessaria, non la garanzia finale.