È quasi Halloween e i pensieri dei bambini sono rivolti a dolcetti e scherzetti, gli adulti pensano a preparare i costumi e forse si preoccupano delle carie, mentre gli ingegneri elettrici pensano alle… batterie.
Ma perché alle batterie? Gli ingegneri elettrici sanno che le batterie sono parte integrante di numerose luci, pannelli luminosi e decorazioni di Halloween. Queste decorazioni luminose vengono utilizzate per innumerevoli scopi, sono disponibili in tantissime forme e dimensioni, generalmente sono pronte per l'uso e quindi è facile considerarle fonti di energia elettrica semplici da utilizzare.
Ma in realtà questi componenti passivi molto diffusi presentano numerose complessità. A seconda del funzionamento, delle dimensioni e soprattutto delle sostanze chimiche di cui sono composte, le batterie possono essere sicure e facili da usare o comportare rischi chimici o di incendio. (Nota: i termini "batteria" e "cella" sono usati spesso come sinonimi. In sintesi, una cella è un unico assemblaggio di metallo/elettrolito e per creare una batteria che fornisca una tensione superiore spesso vengono utilizzate numerose celle. Qualora le indicazioni non fossero chiare, prestare attenzione al contesto; in molti casi, l'utilizzo errato della terminologia non comporta alcun problema).
Figura 1: questo semplice simbolo schematico della "batteria" nasconde numerose complessità in termini di chimica, scienza dei materiali e vari tipi e livelli di rischio. (Fonte: dati forniti dall'autore)
Per prima cosa è importante tenere presente che le batterie sono depositi elettrochimici di energia. Forniscono l'alimentazione, con livelli di tensione specifici, in base all'interazione tra le superfici conduttive (piombo, argento, rame, litio e molti altri metalli) e un elettrolito interposto, che è composto da una "miscela" di sostanze e materiali chimici complessi. Quindi le batterie presentano due potenziali problemi: i materiali utilizzati per crearle (i conduttori e l'elettrolito) e il fatto che siano depositi elevati di energia (come la benzina).
Le batterie si dividono in due gruppi principali: primarie e secondarie. Le batterie primarie non possono essere ricaricate; una volta esaurite sono inutili (alcuni sostengono che possono essere in parte ricaricate, ma la capacità ricaricata di solito è di gran lunga inferiore a quella di una nuova cella primaria che di contro non comporta alcun rischio). Le batterie secondarie sono progettate per essere ricaricate, caratteristica che presenta un altro tipo di problema: il pericolo causato da una ricarica non corretta.
La storia della chimica
Le batterie di largo consumo sono disponibili in numerosi modelli e varianti, nonché formate da diverse sostanze chimiche. Inoltre, per determinate applicazioni specifiche vengono utilizzate tecnologie meno conosciute. Tra le batterie più comunemente utilizzate vi sono quelle basate su piombo, ossido di argento, alcali e litio (carbonio-zinco e nichel-cadmio sono ampiamente superati). Ogni tipo di batteria offre una serie differente di compromessi in termini di caratteristiche principali e prestazioni, come ad esempio tensione d'uscita, densità dell'energia (wattore), capacità (valutata in base sia al volume che al peso), problemi di installazione, gamma di temperatura operativa e di stoccaggio, semplicità di ricarica delle celle secondarie, pericoli potenziali e costo.
Esaminiamo ora alcune caratteristiche principali relative alla sicurezza:
Le batterie al piombo-acido vengono utilizzate principalmente nei veicoli a combustione interna per accendere un automobile e alimentare le parti elettroniche; vengono inoltre utilizzate come energia di riserva e negli impianti di stoccaggio. Anche se il piombo è potenzialmente pericoloso in caso di ingerimento e l'acido solforico presenta sicuramente dei rischi (alcune batterie sono composte da acido in gel per ridurre perdite e fuoriuscite), queste batterie non vengono utilizzate per applicazioni "personali" a causa del peso relativamente elevato e della scarsa densità di energia. Questa formula chimica è progettata per tollerare i sovraccarichi, ma se sottoposta a tensioni di ricarica elevate è soggetta a potenziali esplosioni di idrogeno e ossigeno gassosi, pertanto l'area deve essere ventilata.
Figura 2: struttura base della batteria al piombo-acido, utilizzata da più di cento anni nella sua forma basilare, che oggi si è evoluta e offre un livello più elevato di prestazioni, affidabilità, capacità e fattore di forma. (Fonte: Progressive Dynamics, Inc.)
Per il resto, il processo di carica è relativamente semplice rispetto ad altri tipi di batterie secondarie. La batteria viene caricata da una fonte di tensione che si dovrebbe interrompere quando la batteria è completamente carica. Per mantenere al massimo il livello di carica ("completo") e compensare l'inevitabile auto-scaricamento della batteria anche se non utilizzata, è possibile applicare una carica di mantenimento minima.
Nella formula chimica delle batterie all'ossido di argento vengono utilizzati l'argento e lo zinco come elettrodi e un elettrolito, generalmente l'idrossido di sodio (NaOH) o l'idrossido di potassio (KOH). Le batterie basate su questa formula vengono impiegate in vari ambiti, come le minuscole pile a bottone, spesso utilizzate nei dispositivi personali, quali piccoli orologi, timer e misuratori, o per alimentare apparecchiature professionali, come siluri o veicoli spaziali. Molte batterie all'ossido di argento sono dispositivi primari ma alcune versioni possono essere utilizzate come batterie secondarie per applicazioni non di largo consumo. Queste batterie presentano un'elevata densità di energia, sia in termini di peso che di volume, ma quelle utilizzate per le applicazioni di largo consumo sono sufficientemente piccole, in modo che la quantità di energia globale immagazzinata sia molto bassa.
Figura 3: i fattori di forma a bottone e a moneta sono i più comuni per le batterie all'ossido di argento e richiedono solo una procedura minima di smaltimento, tranne in caso di rottura dell'involucro. Queste batterie sono disponibili in decine di dimensioni diverse (diametro e spessore), a tal punto che in alcuni casi può risultare complicato sostituirle. (Fonte: Wikipedia)
Argento e zinco non sono pericolosi ma lo è l'elettrolito se si corrode o danneggia (quest'ultima possibilità è rara, tranne in caso di manomissione). Se ingerita, questa batteria può essere nociva. Il contenuto di una batteria può causare ustioni chimiche gravi di bocca, esofago e tratto gastrointestinale, mentre il contatto con occhi o pelle può causare irritazioni e/o ustioni chimiche.
Le batterie alcaline sono le più comuni nel settore di largo consumo, con dimensioni standard denominate AAA, AA, C, D e 9 V, nonché in formato a pila o a moneta, e offrono un giusto equilibrio tra capacità di energia e prezzo. Molte batterie alcaline sono batterie primarie smaltibili, non progettate per essere ricaricate (sebbene siano disponibili alcune versioni secondarie specifiche che supportano la ricarica). La batteria alcalina utilizza zinco e manganese con un elettrolito alcalino di idrossido di potassio, alloggiato in un involucro di lega d'acciaio.
Figura 4: i consumatori conoscono molto bene il fattore di forma standard e le dimensioni delle batterie alcaline; sono inoltre a conoscenza del fatto che sono ampiamente diffuse. (Fonte: Duracell, Inc.)
Oltre ai problemi di esplosione causati dal tentativo di ricaricare i modelli primari, le batterie alcaline presentano due rischi. Nel tempo, l'involucro può corrodersi e l'elettrolito fuoriuscire; quest'ultimo è pericoloso per la pelle e particolarmente per gli occhi. Il problema più grande è che queste batterie possono esplodere se entrano a contatto con il fuoco. Per questo motivo, è importante smaltirle con un sistema di smaltimento diverso dall'inceneritore.
Esistono decine di varianti della formula chimica delle batterie al litio, ognuna delle quali offre piccoli compromessi in termini di densità, velocità di auto-scaricamento, prestazioni sotto carichi più leggeri e pesanti, costo e altri fattori. Negli ultimi anni, grazie all'elevata densità energetica in termini di peso e volume, le batterie al litio sono state utilizzate in particolar modo come batterie ricaricabili nei prodotti di consumo di livello superiore, come smartphone, notebook e così via. Inoltre, sono state impiegate molto anche per applicazioni industriali e commerciali su larga scala, come il sistema di alimentazione-immagazzinamento del Boeing 787 Dreamliner, con una capacità di centinaia di chilowattore. Anche se le batterie al litio vengono talvolta utilizzate come celle primarie, sono più diffuse come fonti ricaricabili di energia.
A prescindere dalla formula chimica specifica, tutte le batterie al litio sono fortemente esposte al rischio di incendio, sia cariche che scariche. Quando cariche, sono depositi compatti e intensi di energia che possono autoincendiarsi a causa di un guasto interno, generalmente a seguito di una contaminazione di particelle microscopiche di metallo nello strato ultrasottile. Ciò causa un corto circuito ad alta impedenza che può provocare un surriscaldamento se attraversato dall'energia della cella e il calore può dare vita a una condizione di instabilità termica e di combustione su larga scala. Nel peggiore dei casi, la cella surriscaldata può causare il surriscaldamento e la combustione delle celle adiacenti. Ad esempio, si sono verificati casi di autocombustione e incendio di notebook nemmeno collegati alla presa di alimentazione (e il Boeing 787 ha problemi in parte simili ma su scala molto più grande).
All'ovvio pericolo causato da un incendio si aggiunge il fatto che se il litio prende fuoco non può essere spento con l'acqua, ma richiede l'utilizzo di sostanze chimiche e schiume speciali. Pertanto, molte compagnie aeree e vettori merci non spediscono più le batterie al litio a causa dei rischi di autocombustione. Ovviamente, le batterie al litio non devono mai essere incenerite. Anche una velocità troppo elevata di caricamento/scaricamento o il sovraccarico della batteria può causare incendi, pertanto è fondamentale prestare attenzione a tali fattori.
Con le batterie al litio e a più celle, la sicurezza è garantita da un approccio multilivello nella fase di produzione e utilizzo. Innanzitutto, il processo di produzione deve essere sottoposto a rigidi controlli ed essere immune da contaminazioni. Inoltre, la formula chimica può essere modificata per ridurre la densità di energia accumulata a un livello inferiore, anche andando incontro a compromessi.
I nuovi livelli di sicurezza richiedono una protezione speciale integrata nella cella. Un dispositivo PTC (Positive Temperature Coefficient) si attiva e blocca il flusso di corrente, in caso di sovracorrente o di aumento della temperatura interna causato da sovraccarichi o velocità di scaricamento eccessive; nella batteria sono inoltre presenti altri circuiti integrati di monitoraggio del caricamento e dello scaricamento della batteria. Tenere presente che è importante evitare l'instabilità termica, poiché è impossibile interromperla elettronicamente tramite qualsiasi circuito di sicurezza.
Ad esempio, per il monitoraggio interno, i circuiti integrati serie bq76920, bq76930 e bq76940 di Texas Instruments sono progettati per gestire le batterie agli ioni di litio con tre-quindici celle in serie. Un convertitore A/D interno misura la tensione delle celle, la temperatura del die e il termistore esterno mentre un convertitore A/D separato misura la corrente globale (legge di Coulomb). Le funzioni di protezione hardware includono il monitoraggio da sovracorrente in scaricamento, corto circuito in scaricamento, sovratensione e condizioni di sottotensione. Quando viene rilevata una condizione di errore, il circuito integrato interrompe la fase di caricamento/scaricamento e invia un segnale di interruzione al microcontroller del sistema.
Figura 5: i circuiti integrati BQ76920, BQ76930 e BQ76940 (per tre-quindici celle) di Texas Instruments sono progettati per essere integrati nella batteria e contengono numerose funzioni avanzate di monitoraggio e avviso in caso di problemi durante il caricamento/scaricamento delle celle di litio. (Fonte: Texas Instruments)
Le batterie sono così diffuse e versatili che spesso le utilizziamo pensando di non correre alcun pericolo. Ma essendo costituite da componenti chimici con materiali potenzialmente pericolosi, tutte le batterie implicano dei rischi.
A seconda dei casi, l'origine del pericolo rientra o meno nel campo dell'ingegneria elettrica e l'uso di circuiti integrati specifici e di topologie di sistema è obbligatorio per garantire la sicurezza e l'efficacia delle batterie. Grazie alla diffusione di miliardi di batterie che vengono regolarmente utilizzate ogni giorno, l'esperienza insegna che i rischi possono essere contenuti e gestiti.