Come la simulazione può ridurre i rischi di guasti e incidenti nell’utilizzo dei dispositivi elettronici

Recentemente, casi di esplosioni di batterie agli ioni di litio in dispositivi come telefoni cellulari, biciclette elettriche e monopattini hanno sollevato preoccupazioni sulla sicurezza di questi componenti che ormai sono diventati di utilizzo quotidiano. Queste batterie, sebbene efficienti e compatte, sono sensibili ai danni fisici ed a un uso improprio, il che può portare ad incidenti gravi. In questo contenuto, mostreremo come la simulazione computazionale può aiutare ingegneri e progettisti nella prevenzione degli incidenti, prevedendo dei guasti prima che diventino un problema.

Sfide nella sicurezza delle batterie agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio sono attualmente la soluzione di accumulo di energia portatile più diffusa, ampiamente utilizzata in veicoli elettrici, telefoni cellulari, laptop, sistemi di accumulo di energia domestica e persino in reti energetiche su larga scala. Tuttavia, crescono le preoccupazioni sulla loro sicurezza.

Dati dei dipartimenti dei vigili del fuoco australiani indicano che negli ultimi 18 mesi si sono verificati oltre 450 incendi nel Paese legati a guasti nelle batterie agli ioni di litio. La Commissione australiana per la concorrenza e i consumatori (ACCC) ha recentemente pubblicato uno studio per valutare modi per migliorare la sicurezza delle batterie. Inoltre, persino le autorità di soccorso riconoscono che non esiste ancora una conoscenza sufficiente sulla probabilità di guasto di queste batterie, sui loro meccanismi di guasto e sulle potenziali conseguenze di tali incidenti. 

Il pericolo più evidente delle batterie agli ioni di litio è il rischio di incendi ed esplosioni. In caso di perforazione, per fenomeni di corto circuito, per sovraccarichi o temperature elevate, gli elettroliti infiammabili al loro interno possono provocare fenomeni di combustione o addirittura esplosioni. Sebbene questi eventi siano rari, possono causare gravi lesioni, danni materiali e rappresentano un grande rischio in veicoli come gli aeroplani.

Anche se le batterie agli ioni di litio hanno una durata più lunga rispetto alla maggior parte degli altri sistemi di accumulo dell’energia elettrica, possono comunque subire perdite quando si degradano o vengono danneggiate. Se compromesse, possono rilasciare sostanze corrosive che causano ustioni chimiche a contatto con la pelle e possono danneggiare i componenti del dispositivo in cui sono installate.

Un altro rischio meno conosciuto è l'inalazione di vapori tossici. Se una batteria agli ioni di litio prende fuoco, può rilasciare fumi nocivi per la salute. L'inalazione di questi gas può causare problemi respiratori e persino gravi complicazioni per la salute.

Le batterie agli ioni di litio sono progettate per funzionare a temperature comprese tra -20ºC e 60ºC. L'esposizione a calore eccessivo o danni fisici può compromettere lo strato protettivo della batteria, aumentando il rischio di combustione spontanea se il litio entra in contatto con l'aria.

Il ruolo della simulazione nella prevenzione dei rischi

La simulazione computazionale è essenziale per fornire strumenti avanzati che valutano e mitigano i rischi nelle batterie. Attraverso l'analisi dei fenomeni termici, meccanici ed elettrochimici, è possibile prevedere guasti, ottimizzare il design e garantire prestazioni sicure ed efficienti nel tempo.

Oltre a migliorare la sicurezza, la simulazione svolge un ruolo cruciale nella riduzione dei tempi e dei costi nel processo di produzione delle batterie. Le aziende del settore devono ottenere certificazioni di sicurezza rigorose, come CE, IEC, UL e UN38.3, il cui costo può variare tra 500 e 20.000 dollari, con tempi di test che possono arrivare fino a 12 settimane.

Tabella 1 – Stima dei costi e dei tempi per la certificazione. Fonte: Epec.

Per saperne di più sull’utilizzo della simulazione nello sviluppo e nell’ottimizzazione delle batterie, guarda il nostro webinar "CFD for Green: la simulazione applicata alle batterie e fuel cell".

L'uso della simulazione riduce significativamente la necessità di test fisici ripetitivi, consentendo rapide modifiche al design prima della fase di certificazione.

Gli strumenti avanzati di simulazione permettono agli ingegneri di analizzare e prevedere il comportamento delle batterie agli ioni di litio, degli smartphone e di numerosi dispositivi elettronici in diverse condizioni. Tramite la simulazione multifisica, è possibile valutare:

• Test di runaway termico nelle batterie: Valutazione del rischio di guasti termici nelle batterie agli ioni di litio, in cui l’aumento incontrollato della temperatura può portare a danni irreversibili, esplosioni o incendi. Ansys Fluent può essere utilizzato per simulare il comportamento termico e la propagazione del calore, identificando condizioni critiche che potrebbero causare runaway termico. L'analisi consente di prevedere i punti di surriscaldamento, ottimizzare il design delle batterie per migliorare la dissipazione del calore e aumentare la sicurezza operativa
  

Figura 1 - Runaway termico nelle batterie (video)

• Shock termico e affidabilità meccanica: Analisi dell’impatto delle variazioni brusche di temperatura sulle prestazioni elettriche e meccaniche delle batterie, considerando normative come MIL-STD-883, JEDEC JESD22-A106 e IEC 60068-2-14:1984
  
  Figura 2 – Distribuzione della temperatura in uno smartphone
• Test di impatto e resistenza alle cadute: Analisi della risposta meccanica delle batterie e dei dispositivi a cadute accidentali, secondo le normative MIL-STD-810G e GB/T2423.8-1995. Ansys LS-Dyna viene utilizzato per modellare e simulare l'impatto su scocche e componenti interni, individuando punti critici nel design. L'analisi della resistenza alle cadute consente di valutare l'affidabilità del dispositivo, riducendo tempi e costi di sviluppo.
  
  Figura 3 - Simulazione di caduta di uno smartphone
  
  
• Test di flessione e rigidità strutturale: Analisi della resistenza meccanica delle batterie e dei dispositivi a carichi accidentali di flessione, secondo le normative IEC 61189-2:TM20, IPC TM-650 e ASTM D790. Ansys Mechanical consente di simulare il test di flessione a tre punti, prevedendo la rigidità strutturale di diversi componenti e ottimizzando il design per garantire maggiore durata, soprattutto nei dispositivi più sottili.

Figura 4 – Simulazione di flessione e rigidità strutturale di uno smartphone

• Test touchscreen e affidabilità funzionale: Valutazione delle prestazioni e della risposta tattile degli schermi touchscreen, fondamentali per l’usabilità degli smartphone. Ansys Mechanical viene utilizzato per la modellazione viscoelastica, consentendo di analizzare i ritardi nella risposta e le variazioni nel SNR (Signal-to-Noise Ratio). La simulazione fornisce informazioni cruciali sulla qualità e affidabilità del touchscreen, garantendo una migliore esperienza utente e una maggiore durabilità del componente.
  
  Figura 5 - Test touchscreen (video - cliccare due volte sull'immagine)
• Test di durabilità dei cavi: Analisi della resistenza dei cavi di alimentazione degli smartphone sottoposti a migliaia di cicli di inserimento e disconnessione, oltre a flessioni accidentali, in conformità con le normative IEC 60884-1 e IEC 60320-1. Ansys Explicit Dynamics viene utilizzato per simulare il processo di inserimento del cavo, prevedere la forza di inserimento e la durata a fatica, nonché analizzare l'impatto della flessione dovuta ad un peso aggiuntivo all'estremità del cavo. La simulazione consente di validare l'affidabilità dei cavi nelle prime fasi di progettazione, garantendo maggiore durabilità e resistenza. 

Figura 6 - Test di resistenza e durabilità dei cavi (video - cliccare due volte sull'immagine)

In un mercato in cui la sicurezza e l'affidabilità sono fondamentali, l'uso di strumenti di simulazione nello sviluppo di batterie al litio e dispositivi elettronici diventa essenziale per anticipare problemi, ridurre i costi e garantire l'integrità dei dispositivi che fanno parte della nostra vita quotidiana. Non solo questo settore è in forte espansione, ma anche il mercato dei veicoli elettrici, che utilizza tecnologie basate su batterie al litio e presenta gli stessi rischi per la sicurezza.

Per saperne di più sugli ultimi aggiornamenti degli strumenti Ansys e su come applicarli al tuo settore, contatta gli esperti di ESSS.

sxattini hanno sollevato preoccupazioni sulla sicurezza di questi componenti che ormai sono diventati di utilizzo quotidiano. Queste batterie, sebbene efficienti e compatte, sono sensibili ai danni fisici ed a un uso improprio, il che può portare ad incidenti gravi. In questo contenuto, mostreremo come la simulazione computazionale può aiutare ingegneri e progettisti nella prevenzione degli incidenti, prevedendo dei guasti prima che diventino un problema.