LFP, NMC e sodio-ione dal punto di vista antincendio: cosa significa la chimica delle celle per la barriera

Dal punto di vista antincendio, «accumulo a batterie» non è una categoria omogenea. Che una cella si basi su litio-ferro-fosfato (LFP), nichel-manganese-cobalto (NMC) o sodio-ione cambia radicalmente tre grandezze: la temperatura alla quale si innesca la fuga termica (thermal runaway), il calore rilasciato e la quantità e composizione dei gas di sfiato. Per la progettazione della barriera ne deriva una conseguenza semplice ma spesso trascurata: l’obiettivo di protezione prevalente dipende dalla chimica. In alcuni casi è in primo piano la compartimentazione termica, in altri la gestione dei gas e delle esplosioni.

La differenza strutturale risiede nel materiale catodico: le celle NMC utilizzano un ossido lamellare che alle alte temperature può liberare ossigeno e alimentare l’incendio dall’interno. La struttura olivinica dell’LFP, invece, lega saldamente l’ossigeno: la reazione è decisamente meno violenta, ma tutt’altro che innocua.

Le celle NMC entrano in fuga termica prima delle altre (le temperature di innesco tipiche, a seconda del tipo di cella e del metodo di misura, si collocano indicativamente tra 170 e 210 °C) e reagiscono poi nel modo più violento. Le indagini comparative rilevano per le NMC le temperature più alte dei gas di sfiato (in uno studio recente circa 1.050 °C, contro circa 446 °C per le LFP) e la maggiore quantità di gas per amperora. A ciò si aggiungono spesso fuoriuscita di fiamme, proiezione di scintille e particelle di cella che fungono da fonti di innesco per le zone adiacenti.

Per la compartimentazione questo significa che nei sistemi NMC prevale il carico termico. Pareti divisorie e rivestimenti devono sopportare per breve tempo temperature e densità di flusso termico molto elevate senza che la temperatura sul lato opposto salga a livelli critici. Gli elementi chiave sono isolanti resistenti alle alte temperature con comportamento certificato oltre i 1.000 °C, strati di copertura meccanicamente stabili contro l’impatto delle particelle e strati intermedi tra i moduli che ostacolano la propagazione.

L’LFP è considerato a ragione più stabile termicamente: temperatura di innesco più alta, minore rilascio di calore, incendi autosostenuti più rari. Da qui si trae però spesso la conclusione errata che l’LFP non sia critico ai fini antincendio. Le misure comparative mostrano sì la minore quantità di gas per unità di capacità (in uno studio recente circa 0,02 mol/Ah contro circa 0,07 mol/Ah per le NMC), ma con la più alta percentuale di idrogeno nel gas di sfiato, pari a circa il 41 % nella stessa indagine.

Per il rivestimento ciò significa che non deve soltanto compartimentare il calore, ma anche supportare la gestione dei gas: mantenere liberi i percorsi di evacuazione definiti, non ostruire le superfici di sfogo della pressione e non creare esso stesso fonti di innesco o cavità in cui i gas possano accumularsi.

Nelle prime indagini comparative le celle al sodio-ione mostrano un profilo di sicurezza favorevole: temperature di innesco all’incirca al livello delle LFP (nell’ordine di 220–260 °C) e temperature massime dei gas di sfiato nettamente inferiori rispetto a entrambe le chimiche al litio. Anche la possibilità di scaricare le celle a zero volt per il trasporto e lo stoccaggio riduce i rischi lungo il ciclo di vita.

Tuttavia, anche le celle al sodio-ione in caso di guasto rilasciano gas infiammabili, con quote rilevanti di idrogeno, monossido di carbonio e vapori di elettrolita. La base di dati è inoltre ancora ristretta: esistono pochi studi indipendenti e quasi nessuna prova di incendio su larga scala a livello di sistema. In fase di progettazione vale quindi questa regola: non ridurre in modo generalizzato i requisiti di compartimentazione, evacuazione dei gas e sfogo della pressione, ma richiedere dati di prova specifici per il progetto (ad esempio secondo UL 9540A) e basare il dimensionamento su di essi.

• NMC: dimensionare la barriera principalmente contro alte temperature, flusso termico e particelle
• LFP: puntare su rilevamento dei gas, ventilazione, sfogo della pressione ed esecuzione priva di fonti di innesco
• Sodio-ione: profilo favorevole, ma ridurre il dimensionamento solo sulla base di dati di prova affidabili
• Per tutte le chimiche: il comportamento di propagazione documentato nei rapporti di prova prevale sui dati delle schede tecniche