Sicurezza Delle Batterie

Come il rilevamento di H₂ in tracce consente allarme precoce, prevenzione e mitigazione delle conseguenze in celle, pacchi batteria e locali batterie.

Sintesi. La fuga termica è il rischio per la sicurezza che definisce le batterie agli ioni di litio. Poiché le celle emettono quasi sempre gas prima di guastarsi in modo catastrofico, rilevare tale emissione è la chiave per intervenire in tempo. Questa rassegna sintetizza le evidenze recenti sottoposte a revisione paritaria — principalmente Gardner et al. (Cell Reports Physical Science, 2025) e la letteratura ivi citata — insieme alle indicazioni di sicurezza e conformità per i locali batterie, per mostrare perché l’idrogeno in tracce è il marcatore di allarme precoce più utile sul piano operativo per il guasto di cella e come il rilevamento dell’idrogeno mitighi sia l’innesco sia le conseguenze della fuga termica nei veicoli elettrici e negli accumuli stazionari di energia.

Perché la fuga termica è il problema da risolvere

Le batterie agli ioni di litio sono oggi il fondamento della mobilità elettrica e dell’accumulo di energia su scala di rete, ma la loro modalità di guasto dominante — la fuga termica — resta la principale sfida di sicurezza della tecnologia. Una singola cella difettosa o sollecitata in modo improprio può autoriscaldarsi, sfiatare, incendiarsi e propagare il guasto alle celle vicine, in un evento di propagazione che distrugge pacchi batteria, locali batterie ed edifici. Con la crescita delle installazioni verso centinaia di gigawattora, i regolatori sono intervenuti: il Regolamento tecnico globale UNECE n. 20 e la norma statunitense FMVSS No. 305a impongono ora che i veicoli elettrici avvertano gli occupanti prima che la propagazione della fuga termica raggiunga l’abitacolo. Rispettare tale obbligo — e proteggere i sistemi stazionari di accumulo di energia a batteria (BESS) — dipende dalla capacità di rilevare il problema abbastanza presto per poter agire.

Un insieme crescente di evidenze indica un segnale che arriva prima e in modo più affidabile della temperatura, della tensione o della pressione: l’idrogeno in tracce. Questo articolo illustra la chimica alla base di tale segnale, le prove sperimentali che ne dimostrano precocità e utilità operativa e il modo in cui lo stesso marcatore sostiene i codici di sicurezza per i locali batterie e la strategia di mitigazione.

L’anatomia della fuga termica

La fuga termica è una catena autoaccelerante di reazioni esotermiche. Una cella sollecitata da temperatura elevata, sovraccarica, deformazione meccanica o un difetto interno inizia a degradarsi: l’interfase solido-elettrolita si decompone, il separatore si ammorbidisce e può andare in cortocircuito, il catodo carico si decompone rilasciando ossigeno e l’elettrolita reagisce e si decompone. Ogni passaggio aggiunge calore, che accelera il successivo. La pressione interna aumenta fino al cedimento dell’involucro della cella in un primo evento di sfiato. Se nulla interviene, la temperatura continua a salire fino a portare la cella in fuga termica completa, con possibile ignizione o rottura e propagazione alle celle adiacenti in una cascata pericolosa.

Due fattori aggravano il quadro. Le celle invecchiate sono più vulnerabili, perché il degrado cumulativo abbassa la soglia di guasto. Le celle a stato di carica (SoC) più elevato sono al tempo stesso più reattive e più energetiche quando si guastano: in particolare i catodi NMC delitiati diventano notevolmente più reattivi con l’elettrolita oltre circa l'80 % di SoC. Soprattutto, fra l’inizio della sollecitazione impropria e il guasto catastrofico esiste una finestra temporale. Il primo evento di sfiato è una caratteristica quasi universale delle celle che entreranno poi in fuga termica ed è proprio l’occasione che il rilevamento dei gas è progettato per cogliere, in particolare per i guasti latenti che si sviluppano nel tempo e che la diagnostica convenzionale individua con difficoltà.

La firma dei gas di sfiato — e perché l’idrogeno

I primi gas rilasciati durante lo sfiato sono principalmente anidride carbonica, monossido di carbonio, etilene, elettrolita vaporizzato e idrogeno. Fra questi, l’idrogeno è il marcatore di allarme precoce che si distingue, per tre ragioni indicate da Gardner et al.: è caratteristico dello sfiato delle celle e praticamente assente nell’aria ambiente, quindi i falsi positivi sono rari; è un prodotto fondamentale generato in un’ampia varietà di chimiche di batteria; e ha un elevato coefficiente di diffusione, quindi raggiunge rapidamente il sensore e sale per galleggiamento verso i rilevatori installati in alto.

L’idrogeno si forma attraverso diverse vie che non dipendono dal catodo: l’elettrolisi dell’acqua in tracce e dell’acqua prodotta dalla decomposizione dell’elettrolita; la reazione delle dendriti di litio con il legante in polivinilidenfluoruro; e la decomposizione termica dei solventi carbonati. Utilizzando celle simmetriche grafite-grafite, Xueqin e Lei hanno dimostrato che l’idrogeno si genera indipendentemente dal materiale catodico, il che indica un’origine legata all’elettrolita e all’anodo. Questo meccanismo indipendente dalla chimica è esattamente il motivo per cui l’idrogeno compare nelle celle NCA, NMC e LFP. In particolare, Jin et al. hanno dimostrato che la captazione dell’idrogeno può segnalare la formazione di dendriti di litio su scala micrometrica come allarme precoce di sicurezza.

C’è però un aspetto critico: l’idrogeno è presente a concentrazione relativamente bassa rispetto alle altre specie emesse. I sensori di idrogeno convenzionali a conducibilità termica hanno limiti di rilevabilità dell’ordine di migliaia di parti per milione e possono segnalare “nessun idrogeno” dopo uno sfiato reale; solo con strumenti più sensibili l’idrogeno viene rilevato in modo sistematico. Il requisito pratico è quindi il rilevamento a livello di tracce, con una soglia di sensibilità ben inferiore a 100 ppm.

Perché i sensori convenzionali non bastano

I sensori di stato di salute della batteria oggi disponibili offrono una capacità prognostica limitata. Il rilevamento di tensione e corrente perde efficacia nelle configurazioni in parallelo e in serie usate nei pacchi reali: una singola cella in avaria fra molte in parallelo modifica appena la tensione misurata del pacco e, nelle celle cilindriche, il dispositivo di interruzione della corrente (CID) sopprime del tutto la firma in tensione dello sfiato. Il rilevamento di temperatura è affidabile solo se ogni cella è strumentata individualmente, cosa impraticabile su larga scala, e la temperatura dell’involucro è in ritardo rispetto all’evento interno. Il rilevamento di pressione spesso non vede affatto lo sfiato.

I dati sperimentali lo rendono concreto. In Gardner et al. la tensione misurata non variava al primo sfiato e i picchi di pressione erano spesso inferiori a 0,1 hPa — praticamente invisibili su quei canali — mentre l’idrogeno era già in aumento. Il rilevamento dei gas, al contrario, cattura l’evento di sfiato quasi universale ed è particolarmente adatto ai guasti latenti dovuti a sollecitazioni improprie.

Le evidenze: H₂ in tracce come segnale precoce e operativo

Gardner et al. hanno provato un transistor a effetto di campo chimicamente sensibile all’idrogeno (H₂-CSFET) realizzato su uno strato sensibile in palladio. L’idrogeno produce uno spostamento della funzione di lavoro specifico del legame H–H, che modifica la tensione di soglia del transistor e la corrente di canale; un microriscaldatore a 60 °C respinge l’umidità e altri adsorbati, garantendo selettività rispetto a CO₂, CO, idrocarburi e vapori di elettrolita (alla temperatura di funzionamento i legami C–H non vengono scissi). Il limite di rilevabilità dichiarato è inferiore a 1 ppm, con una precisione di circa il 10 % nell’intervallo 30–1000 ppm e a potenza molto bassa (circa 1 µW per il transistor, più un microriscaldatore che può essere gestito a intermittenza a partire da circa 50 mW).

I sensori sono stati messi alla prova su celle commerciali di formati e chimiche diverse — una cilindrica NCA 21700 da 5 Ah, una pouch NMC da 72 Ah e una prismatica LFP da 120 Ah — con SoC dal 10 al 100 %, sotto sollecitazione di surriscaldamento e di sovraccarica. I risultati principali sono stati coerenti e di rilievo:

• Allarme precoce: nelle celle portate fino alla fuga termica, l’idrogeno ha fornito 23,9 minuti di preavviso con surriscaldamento a 6 °C/min e 3,6 minuti in sovraccarica a 1C.
• Rilevato in ogni caso: l’idrogeno è comparso nei gas di sfiato in tutte le prove — per tutte le chimiche, i formati e gli stati di carica — a circa 100–400 ppm allo sfiato per le celle NCA, senza una forte correlazione con il SoC.
• Canale più affidabile: in tutti i casi l’idrogeno è risultato un indicatore di fuga termica imminente migliore della pressione, della tensione o della temperatura dell’involucro.
• Utile sul piano operativo: interrompendo la sollecitazione al momento del rilevamento dell’idrogeno, la fuga termica è stata evitata in tutti i casi provati.

Quest’ultimo punto è il ponte fra allarme e mitigazione: il segnale arriva abbastanza presto perché l’intervento funzioni davvero. Lo studio ha inoltre messo in luce alcune sfumature utili. Le celle a SoC più elevato risultavano più difficili da raffreddare una volta rimossa la sollecitazione, coerentemente con la maggiore reattività dei catodi NMC delitiati; le prove di sovraccarica hanno mostrato un plateau di tensione intorno a 5,26 V, indicativo della formazione di dendriti di litio prima dello sfiato; e la cella prismatica LFP ha sfiatato alla temperatura di involucro più alta (142 °C), con il picco di pressione maggiore (~60 hPa). La specifica di sensore che ne deriva — confermata dagli studi sull’accumulo stazionario — prevede un limite di rilevabilità inferiore a circa 100 ppm, falsi positivi praticamente nulli rispetto ai gas ambientali e a quelli tipici dell’automobile, basso consumo a veicolo spento e una vita utile superiore a quella del pacco batteria.

Tabella 1. Comportamento di allarme precoce osservato nei diversi tipi di cella (Gardner et al.).

Dalla cella al locale: mitigare le conseguenze

L’allarme precoce a livello di cella risolve metà del problema. L’altra metà si gioca alla scala del locale batterie o dell’involucro di un BESS, dove le “conseguenze” di uno sfiato sono accumulo di gas, deflagrazione e propagazione dell’incendio. Qui l’idrogeno svolge un secondo ruolo di sicurezza, ormai consolidato, descritto nelle indicazioni che i produttori di sensori di idrogeno forniscono per gli impianti di alimentazione di riserva e di accumulo di energia.

L’idrogeno è infiammabile dal 4 % al 74 % in volume in aria; il suo limite inferiore di infiammabilità (LFL) è pari a 4 vol % (40.000 ppm). I codici richiedono in genere di mantenere la concentrazione nel locale al di sotto del 25 % dell’LFL — una soglia di allarme e di ventilazione a 1 vol % — per conservare un ampio margine di sicurezza. Rilevare l’idrogeno in tracce molto prima di tale soglia consente all’impianto di ventilare, togliere tensione, spegnere o evacuare mentre l’atmosfera è ancora inerte. Questo margine anticipato è il valore pratico della sensibilità alle tracce.

Il quadro normativo

I lettori tecnici riconosceranno il quadro che regola questi impianti. La IEC 62485-2 stabilisce i requisiti di sicurezza per le batterie secondarie stazionarie, compresa la ventilazione dimensionata per diluire lo sviluppo di idrogeno, ed è la spina dorsale della conformità europea per i locali batterie. La EN 50604 riguarda la sicurezza delle batterie al litio e viene applicata insieme alla precedente nelle valutazioni del rischio nell’UE. In Nord America la NFPA 855 disciplina l’installazione degli accumuli stazionari di energia e richiede, in determinate installazioni interne, il rilevamento di gas infiammabili e il controllo delle esplosioni, mentre la UL 9540A è il metodo di prova che caratterizza il modo in cui la fuga termica si propaga dalla cella al modulo all’unità; il Fire Safety Research Institute di UL individua nel rilevamento dei gas emessi (idrogeno, CO, HF, idrocarburi) un approccio riconosciuto di allarme precoce. Per i veicoli, UNECE GTR 20 e FMVSS 305a impongono l’avviso agli occupanti prima della propagazione.

La conformità europea presenta un’ulteriore particolarità strutturale. In base al principio di sussidiarietà, le giurisdizioni locali definiscono i dettagli — portate di ventilazione, contenimento degli sversamenti — all’interno delle linee guida valide per l’intera UE: i requisiti si stratificano quindi su livello locale, nazionale ed europeo, e le autorità competenti (Authorities Having Jurisdiction) includono comunemente la IEC 62485-2 nelle proprie ispezioni. Gli assicuratori aggiungono un ulteriore livello, con requisiti di prevenzione dei danni che spesso superano i codici e che condizionano la copertura al loro rispetto.

Un’architettura di mitigazione a più livelli

La sicurezza di un locale batterie si inquadra al meglio come sistema a più livelli, in cui il rilevamento dell’idrogeno interviene per primo, perché fornisce il segnale utilizzabile più precoce:

• Rilevamento dei gas: monitoraggio dell’idrogeno in tracce per segnalare uno sfiato o un degassamento prima che l’accumulo diventi pericoloso.
• Ventilazione: estrazione dimensionata per diluire l’idrogeno ed evitare che raggiunga concentrazioni infiammabili.
• Spegnimento incendi: in genere sistemi ad acqua, che raffreddano le celle e limitano la propagazione.
• Contenimento e gestione termica: pavimentazioni resistenti all’elettrolita e contenimento degli sversamenti, oltre al rilevamento precoce della fuga termica e all’isolamento delle celle.
• Controlli umani e procedurali: DPI, formazione, segnaletica e registrazioni rigorose ai fini della conformità e del miglioramento continuo.

Progettare una strategia di sicurezza basata sull’idrogeno

Per chi realizza gli impianti, alcune scelte progettuali determinano se il livello basato sull’idrogeno funzioni davvero. La sensibilità dovrebbe puntare a un limite di rilevabilità inferiore a circa 100 ppm, così che il sistema intercetti l’idrogeno del primo sfiato e non si fermi alla soglia di migliaia di ppm delle unità a conducibilità termica di vecchia generazione, che possono non vedere un evento reale. La selettività è altrettanto importante: l’immunità a CO₂, CO, idrocarburi, vapori di elettrolita e umidità evita gli allarmi intempestivi, che erodono la fiducia degli operatori e provocano fermi impianto costosi. Il posizionamento deve sfruttare la spinta di galleggiamento e l’elevata diffusività dell’idrogeno: i rilevatori installati in alto e vicino ai probabili percorsi di sfiato rispondono più rapidamente, e alcuni lavori di modellazione hanno ottimizzato la loro collocazione sia nei pacchi dei veicoli elettrici sia nelle cabine di accumulo.

Infine, è l’integrazione a trasformare una lettura in protezione. Il risultato di prevenzione ottenuto da Gardner et al. dipendeva dalla rimozione automatica della sollecitazione nel momento in cui l’idrogeno veniva rilevato; è quindi essenziale collegare il rilevamento al sistema di gestione della batteria (BMS) o ai controlli di impianto, per interrompere la ricarica, avviare la ventilazione e attivare l’allarme. Nei veicoli il sensore deve inoltre funzionare a veicolo spento senza scaricare le batterie ausiliarie e durare più del pacco, mentre nei locali batterie di difficile accesso il funzionamento esente da manutenzione è una necessità pratica.

Prospettive

L’attrattiva dell’idrogeno risiede in una combinazione rara fra i marcatori candidati: è precoce, quasi universale fra le diverse chimiche e distinguibile rispetto all’aria ambiente. La piattaforma CSFET è inoltre estensibile: la stessa architettura può essere orientata ai composti organici volatili dell’elettrolita per una conferma incrociata, oppure all’acido solfidrico per le chimiche litio-zolfo emergenti. Restano questioni aperte, fra cui il comportamento in pacchi commerciali completamente assemblati, la generalizzabilità dei risultati sulle celle prismatiche e l’assenza di setpoint di rilevamento prescritti in norme come la NFPA 855. La direzione, però, è chiara. Mentre i codici antincendio spingono verso l’allarme prima dell’ignizione e le normative sui veicoli impongono l’avviso agli occupanti, il rilevamento dell’idrogeno in tracce sta passando dalla dimostrazione di laboratorio a un livello pratico e scalabile della sicurezza delle batterie agli ioni di litio: intercetta il guasto al primo soffio di gas, quando c’è ancora tempo per agire.

L’idrogeno è, in effetti, già un gas chiave nella diagnostica elettrica: nell’analisi dei gas disciolti nei trasformatori è uno dei primi segni di un guasto incipiente. Amperis affianca i propri clienti nella scelta delle apparecchiature di misura e diagnostica, così come nella manutenzione e prova delle batterie per l’industria e l’accumulo di energia. Per un progetto di sicurezza o di monitoraggio delle batterie è possibile contattare i nostri tecnici, che indicheranno l’apparecchiatura più adatta.

Bibliografia

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