Ecco la batteria al litio con prestazioni triplicate / Here is the lithium battery with tripled performance.

Ecco la batteria al litio con prestazioni triplicate / Here is the lithium battery with tripled performance.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Joseph Cotellessa

Il Galaxy Note 7 non è un caso isolato: dagli hoverboard alle batterie dei portatili la storia è piena di casi di batterie al litio che si trasformano in vere minacce per la sicurezza. Perchè succede questo? Ve lo spieghiamo in modo semplice.

Milioni di smartphone richiamati, un danno da diversi miliardi di dollari e un’immagine da ricostruire, tutto per dei piccoli frammenti metallici. Quello del Galaxy Note 7 non è il primo caso di batterie pericolose: Sony nel 2006 richiamò quasi 10 milioni di batterie al litio per portatili aprendo gli occhi a tutti sulla pericolosità delle celle al litio. Negli anni successivi anche l’aviazione si trovò ad affrontare problemi simili: diversi Boeing 787 Dreamliner furono tenuti a terra nel 2012 per controlli approfonditi in seguito all’esplosione delle batterie di bordo.

Quella che tutti definiscono normalmente esplosione in gergo tecnico viene chiamato “Thermal Runaway”, un termine che non ha una traduzione italiana e che si riferisce ad una situazione dove si crea all’interno di un componente uno squilibrio che porta ad un aumento incontrollato e inarrestabile della temperatura. Una reazione a catena, che nel peggiore dei casi porta prima alla combustione e poi, in assenza di uno sfogo, ad uno scoppio.

Ed è quello che succede nel caso del Galaxy Note 7, dove la scelta progettuale di rendere la batteria insostituibile ha di fatto creato un blocco chiuso che nel caso di “Thermal Runaway” trova sfogo nell’esplosione dell’intero telefono.

Come mai una batteria può esplodere?

Una batteria agli ioni litio, come ogni batteria, funziona grazie ad un processo chimico che ruota attorno a due elementi, l’anodo e il catodo. Quando la batteria viene caricata gli ioni di litio passano dal catodo all’anodo, e allo stesso modo quando una batteria si scarica, quindi quando alimenta un dispositivo, gli ioni partono dall’anodo per tornare al catodo.

Per facilitare il passaggio degli ioni questi vengono dissolti in una sostanza denominata elettrolita. L’elettrolita non può essere acquoso e soprattutto deve favorire lo scioglimento al suo interno degli ioni di litio: solitamente viene utilizzato un composto organico che per sua natura è volatile e infiammabile.

La scelta del tipo catodo determina non solo la capacità della batteria ma anche il livello di sicurezza: nelle batterie per smartphone e per dispositivi consumer viene utilizzato come materiale per il catodo l’ossido di cobalto, un materiale che garantisce una elevatissima capacità ma che ha sostanzialmente due difetti, una durata limitata (circa 500 cicli di carica) e un punto di “Thermal Runaway” basso, 150°. Un valore questo fondamentale per la stabilità della cella al litio: se la temperatura sorpassa questo punto critico il processo di surriscaldamento è inarrestabile e porta rapidamente alla combustione o all’esplosione.

Durante la normale carica certe temperature non vengono mai raggiunte, e non succede nulla neppure se teniamo lo smartphone al sole o in tasca: per arrivare ai 150° che innescano la reazione a catena serve un evento esterno e questo evento, come ha spiegato Samsung, è il contatto accidentale tra anodo e catodo. In alcune batterie realizzate da Samsung SDI catodo e anodo possono venire a contatto, una situazione che porta ad un cortocircuito: l’elettrolita si infiamma e la temperatura schizza oltre la soglia di sicurezza.

In una batteria al litio anodo e catodo non dovrebbero mai toccarsi, anche perché esiste un dispositivo di sicurezza che separa i due elementi, chiamato appunto “separatore”.

Siamo davanti ad una membrana porosa che assorbendo l’elettrolito non blocca lo scambio di ioni ma impedisce il contatto fisico tra i due elementi anche nel caso di situazioni critiche. Uno dei test più noti per saggiare la sicurezza di una batteria è il test dell’unghia, dove un corpo appuntito crea un solco sulla superficie esterna della cella spingendo l’anodo contro il catodo e mettendo a dura prova la resistenza del separatore.

Le ricerche dei materiali odierni hanno contribuito a creare separatori molto robusti anche se sottilissimi, e proprio per rendere ancora più sicure le batterie delle auto dotate di grande capacità vengono realizzati separatori a tre strati dove, in caso di “Thermal Runaway”, uno strato sottoposto a temperatura elevata si fonde bloccando lo scambio di ioni e interrompendo la reazione, con la cella che diventa inutilizzabile e allo stesso tempo innocua.

Come hanno fatto a toccarsi anodo e catodo nelle batterie che Samsung ha realizzato per il Galaxy Note 7?

E’ difficile pensare che si possa essere rotto o deteriorato il separatore, più probabile, come già successo nel caso di Sony, che il processo produttivo utilizzato da Samsung abbia portato alla creazione di un numero di frammenti metallici disciolti nell’elettrolita più alto del dovuto. La produzione delle batterie è un processo meccanico tutt’altro che perfetto: l’elettrolita dovrebbe essere privo di impurità, ma con le tecniche produttive attuali è impossibile evitare che al suo interno restino disciolti un numero imprecisato di piccoli frammenti metallici. L’importante è che siano piccoli, e soprattutto che siano pochi.

Questi frammenti, soprattutto durante la carica, si potrebbero allineare lungo l’asse anodo – catodo e formare una sorta di “filamento” metallico che, nel caso di continuità elettrica, dà inizio al cortocircuito che scatena l’irreversibile processo.

Si tratta in questo caso di un evento fortuito: una batteria può essere caricata per 300 volte senza mai esplodere come può esplodere la seconda volta che viene caricata, anche perché durante la carica l’anodo si espande leggermente aumentando la probabilità di corto circuito. Inoltre, con il passare del tempo, l'anodo si degrada dando origine ai dendriti, piccole ramificazioni che possono arrivare anche a bucare il separatore: la formazione dei dendriti avvicina ulteriormente l'anodo al catodo aumentando i rischi di corto circuito.

Samsung ha fatto bene a richiamare praticamente tutti gli smartphone: poco importa se al contatto un Note 7 resta freddo anche durante la ricarica, ogni telefono è potenzialmente una minaccia. Un atto di grande responsabilità quello di Samsung, e altrettanto responsabili dovrebbero essere coloro che hanno in casa un Note 7 e, pensando che il loro sia perfetto, decidono di poterlo tenere senza problemi. 

Il fisico americano John Goodenough, “padre” dei primi dispositivi ricaricabili agli ioni di litio, ha sviluppato una nuova batteria a stato solido con elettrolita di vetro. Tra i vantaggi: densità energetica molto più elevata, maggiore sicurezza, velocità di ricarica e resistenza alle basse temperature.

Una batteria al litio che si ricarica in pochi minuti, sicura al 100% e con una densità energetica tre volte superiore rispetto ai dispositivi attuali, potrebbe determinare una svolta tecnologica importantissima, in un mondo che prospetta il boom dell’auto a zero emissioni e dei sistemi per l’accumulo elettrochimico nelle nostre case (energy storage).

L’inventore di una simile tecnologia è lo stesso che negli anni ’70-’80 ha sviluppato la prima batteria ricaricabile agli ioni di litio, poi commercializzata da Sony: il fisico americano John Goodenough. All’età di 94 anni, Goodenough ha guidato un team dell’Università del Texas, creando un nuovo apparecchio “a stato solido” che promette faville. “Crediamo che la nostra scoperta risolva molti dei problemi che affliggono le batterie odierne”, ha commentato il professore, in una nota diffusa dall'università.

In che cosa consiste la ricerca (link in basso)? Il gruppo di scienziati ha utilizzato un elettrolita di vetro anziché liquido, per trasportare gli ioni di litio dall’anodo (la parte negativa della batteria) al catodo (la parte positiva). Così è stato possibile impiegare un anodo di metallo alcalino. Quest’ultimo assicura una serie di vantaggi: innanzi tutto, evita la formazione dei dendriti, filamenti metallici che possono causare un corto circuito, che a sua volta può infiammare la batteria o farla esplodere.

Gli altri vantaggi sono l’incremento di densità energetica e della vita utile, con un numero assai più elevato di cicli di carica-scarica; i ricercatori in laboratorio hanno sperimentato fino a 1.200 cicli senza degradazioni. Inoltre, l’elettrolita solido di vetro mantiene un’ottima conduttività anche a bassissime temperature, consentendo la piena operatività della batteria a parecchi gradi sottozero, certamente un punto di forza se pensiamo ai problemi che incontrano i dispositivi quando fa molto freddo.

Rimanendo nel campo della mobilità elettrica, la nuova batteria, grazie alla sua triplicata densità energetica, potrebbe garantire un’autonomia di guida superiore tra una carica e l’altra, senza contare che sarebbe in grado di “fare il pieno” di elettricità in pochi minuti, in condizioni di totale sicurezza, venendo meno il rischio che si formino i dendriti per una ricarica troppo rapida.

Un altro vantaggio di questa soluzione è la possibilità di sfruttare materiali “poveri”, come il sodio, riducendo moltissimo il costo di fabbricazione delle celle.

Un ruolo decisivo nella ricerca è stato svolto da Maria Helena Braga della Cockrell School of Engineering dell’università texana di Austin; due anni fa, ha iniziato a collaborare con Goodenough, creando una nuova versione dell’elettrolita a stato solido di vetro.

Il prossimo passo, come sempre in casi del genere, sarà uscire dai test di laboratorio per industrializzare il nuovo prodotto, dopo aver brevettato la tecnologia. L’obiettivo più immediato è trovare accordi con produttori di batterie e case automobilistiche, per sperimentare questi materiali innovativi su vetture elettriche e sistemi di energy storage, in modo da rendere ancora più efficiente e affidabile la batteria.

ENGLISH

The Galaxy Note 7 is not an isolated case: the hoverboard to laptop batteries history is full of cases of lithium batteries that turn into real threats to security. Why is this happening? Allow us to explain in a simple way.

Million recalled smartphone, damage to several billion dollars, and an image to be reconstructed, all for the small metal fragments. That of the Galaxy Note 7 is not the first case of dangerous batteries: Sony in 2006 attracted nearly 10 million lithium-ion batteries for laptops opening his eyes to all the dangers of lithium cells. In the following years also aviation was facing similar problems: several Boeing 787 Dreamliner were kept on the ground in 2012 to thorough checks following the explosion of on-board batteries.

What in technical jargon all define normally explosion is called "Thermal Runaway", a term that has not an Italian translation and that refers to a situation where you create within a component an imbalance that leads to an uncontrolled and unstoppable rise temperature. A chain reaction, which in the worst cases, leads to the first combustion and then, in the absence of a vent, such a burst.

And that's what happens in the case of the Galaxy Note 7, where the design decision to make the irreplaceable battery has actually created a closed block in the case of "Thermal Runaway" found an outlet in the explosion of the entire phone.

Why a battery can explode?

A lithium ion battery, like any battery, it works through a chemical process that revolves around two elements, the anode and the cathode. When the battery is charging the lithium ions move from cathode to anode, and likewise when a battery runs low, so when powering a device, the ions depart from the anode back to the cathode.

To facilitate the passage of these ions are dissolved in a substance called electrolyte. The electrolyte can not be watery and above all it must promote the dissolution in the interior of lithium ions: usually is used an organic compound which by its nature is volatile and flammable.

The choice of the cathode type determines not only the battery capacity but also the level of safety: in batteries for smartphones and for consumer devices is used as the material for the cathode cobalt oxide, a material that guarantees a very high capacity but that has basically two defects, a limited duration (about 500 charge cycles) and a point of "Thermal Runaway" low, 150 °. A value of this fundamental for the stability of lithium cell: If the temperature surpasses this critical point, the warming process is unstoppable and leads rapidly to combustion or explosion.

During a normal charge certain temperatures are never reached, and nothing happens even if we take the smartphone in the sun or in your pocket: to get to the 150 ° that trigger the chain reaction serves an external event, and this event, as explained by Samsung, it is the accidental contact between the anode and cathode. In some batteries manufactured by Samsung SDI cathode and anode can be in contact, a situation that leads to a short circuit: the electrolyte becomes inflamed and squirts temperature above the safety threshold.

In a lithium battery to the anode and cathode should never touch, also because there is a security device that separates the two elements, precisely called "separator".

We are facing a porous membrane that absorbs the electrolyte does not block the exchange of ions but prevents physical contact between the two elements also in the case of critical situations. One of the most well-known test to test the safety of a battery is the nail test, where a pointed body creates a groove on the outer surface of the cell pushing the anode against the cathode, and putting a strain on the resistance of the separator.

The search results of today's materials have helped to create very robust separators even if thin, and just to make it more secure car batteries with large capacity are realized separators to three layers where, in case of "Thermal Runaway", one subjected layer high temperature melts blocking the exchange of ions and stop the reaction, with the cell which becomes unusable and at the same time harmless.

How did they touch each anode and cathode in the battery that Samsung has made the Galaxy Note 7?

It 'hard to imagine that it could be broken or deteriorated the separator, more likely, as happened in the case of Sony, that the production process used by Samsung has led to the creation of a higher number of dissolved metal fragments in the electrolyte than necessary . The production of the batteries is a mechanical process far from perfect: the electrolyte should be free of impurities, but with the current manufacturing techniques it is impossible to avoid in the interior remain dissolved an unknown number of small metal fragments. The important thing is that they are small, and above all they are few.

These fragments, especially during charging, you may align along the anode axis - cathode and form a sort of "filament" metal that, in the case of electrical continuity, begins the short circuit that triggers the irreversible process.

It is in this case of a fortuitous event: a battery can be charged for 300 times without ever explode as can explode the second time that is loaded, also because during the charging the anode expands slightly increasing the likelihood of short-circuiting. Moreover, with the passage of time, the anode is degraded, giving rise to the dendrites, smaller branches that can extend to pierce the separator: the formation of dendrites approaching further the anode to the cathode by increasing the risk of shock.

Samsung has done well to draw virtually all smartphones: no matter whether to contact a Notes 7 stays cold even during charging, each phone is potentially a threat. An act of great responsibility to Samsung, and just as responsible should be those who have in the house a Notes 7 and, thinking that theirs is perfect, choose to can keep it without problems.

The American John Goodenough physicist, "father" of the first rechargeable devices lithium ion, has developed a new solid-state battery with glass electrolyte. Among the advantages: much higher energy density, increased safety, speed of charging and resistance to low temperatures.

A lithium battery that recharges in just minutes, 100% secure and with an energy density three times higher than current devices, could lead to important technological breakthrough, in a world that promises the car boom to zero emissions and systems for electrochemical storage in our homes (energy storage).

The inventor of such a technology is the same as in the 70s and 80s has developed the first rechargeable lithium-ion battery, then marketed by Sony: the American John Goodenough physical. At the age of 94, Goodenough led a team from the University of Texas, creating a new device "solid state" that promises sparks. "We believe our discovery solves many of the problems facing today's batteries," said the professor, in a statement released by the university.

What is the search (link below)? The group of scientists used a glass electrolyte instead of liquid to transport the lithium ions from the anode (the negative part of the battery) to the cathode (the positive side). Thus it was possible to employ an alkali metal anode. The latter ensures a number of advantages: firstly, it avoids the formation of dendrites, metallic filaments which may cause a short circuit, which in turn can ignite the battery or make it explode.

The other advantages are the increase of energy density and the useful life, with a much higher number of charge-discharge cycles; The laboratory researchers tested up to 1,200 cycles without degradation. In addition, the glass solid electrolyte maintains good conductivity even at very low temperatures, allowing full operation of the battery to several degrees below zero, certainly a strong point if we think of the problems faced by devices when it is very cold.

Remaining in the field of electric mobility, the new battery, with its threefold energy density, could provide a range of top rail between charges and the other, not to mention that it would be able to "fill up" of electricity within minutes, under secure conditions, failing the possibility of trapping the dendrites to a too rapid charging.

Another advantage of this solution is the possibility of exploiting "poor" materials, such as sodium, greatly reducing the cost of manufacture of the cells.

Another advantage of this solution is the possibility of exploiting "poor" materials, such as sodium, greatly reducing the cost of manufacture of the cells.

A decisive role in research has been done by Maria Helena Braga the Cockrell School of Engineering of the University of Texas-Austin; two years ago, he began collaborating with Goodenough, creating a new version of the electrolyte solid glass was.

The next step, as always in such cases, will leave the laboratory tests to industrialize the new product, having patented the technology. The most immediate goal is to find agreements with battery manufacturers and vehicle manufacturers, to experience these innovative materials of electric vehicles and energy storage systems, so as to make it even more efficient and reliable battery.

Da:

http://www.dday.it/redazione/21002/perche-una-batteria-al-litio-puo-esplodere

http://www.qualenergia.it/articoli/20170316-la-batteria-al-litio-del-futuro-avr%C3%A0-il-triplo-dell%E2%80%99energia