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.
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.
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.
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:
Figura 1 - Runaway termico nelle batterie (video)
Figura 4 – Simulazione di flessione e rigidità strutturale di uno smartphone
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.
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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.