Deterioramento delle batterie: comprensione delle modalità di guasto delle batterie

Le batterie sono diventate componenti essenziali della nostra infrastruttura; alimentano ininterrottamente i data center e facilitano l'integrazione di energia rinnovabile nelle nostre reti elettriche. Ora che ci affidiamo più che mai alle batterie, comprendere le modalità di guasto delle batterie non è un semplice esercizio accademico, ma una conoscenza indispensabile per tutti i responsabili dei sistemi di batterie.

Le implicazioni economiche dei guasti delle batterie sono significative. Quando si verifica un guasto a un sistema di batterie, le organizzazioni devono affrontare non solo i costi diretti di sostituzione, ma anche i costi indiretti correlati ai tempi di inattività del sistema, ai potenziali danni alle apparecchiature collegate e, in alcuni casi, alla perdita di servizi critici. Una sola ora di inattività in un data center può costare fino a 1 milione di dollari.

A fronte di tutto questo, esaminiamo le principali modalità di guasto delle batterie.

Modalità di guasto delle batterie al piombo-acido

Le batterie al piombo-acido sono uno dei tipi più comuni di batterie stazionarie. Anche se sono affidabili e il loro funzionamento è chiaro, possono presentare diverse tipologie di guasto. 

Corrosione della griglia positiva

La corrosione della griglia positiva è un processo chimico in cui la lega di piombo che forma la griglia positiva della batteria si trasforma gradualmente in ossido di piombo. Questo processo è accelerato in caso di temperature elevate, sovraccarichi e cicli eccessivi. Sebbene un certo grado di corrosione della griglia sia normale ed effettivamente progettato nelle batterie, una corrosione eccessiva può ridurre significativamente la durata della batteria, con conseguenze come:

• Espansione fisica delle piastre
• Aumento della resistenza interna
• Capacità di alimentazione ridotta
• Eventuale guasto della batteria

Solfatazione

Durante il normale scaricamento della batteria, i materiali attivi in una batteria al piombo-acido (piombo e diossido di piombo) reagiscono con l'acido solforico formando solfato di piombo. Si tratta di un processo naturale e necessario. Tuttavia, esiste una differenza fondamentale tra il normale solfato di piombo morbido formato durante la scarica regolare e il solfato cristallino che può svilupparsi in determinate condizioni ed è in grado di causare problemi. Nella maggior parte dei casi, il processo di solfatazione è evitabile e reversibile, ma può diventare permanente se le batterie rimangono scariche, quando la carica è insufficiente o quando viene trascurata la manutenzione regolare. Ciò può causare:

• Riduzione della capacità 
• Aumento della resistenza interna
• Danni fisici alle piastre

Cortocircuiti interni

Spesso i cortocircuiti interni si sviluppano gradualmente e possono essere difficili da rilevare fino a quando non si verificano danni significativi. A differenza dei cortocircuiti esterni, solitamente ben rilevabili, i cortocircuiti interni si presentano in modo silenzioso all'interno della batteria, creando condizioni potenzialmente pericolose.

I cortocircuiti interni nelle batterie al piombo-acido normalmente si suddividono in due categorie: "hard" e "soft". I cortocircuiti hard sono generalmente causati da grumi di materiale derivanti da difetti di produzione. I cortocircuiti soft sono il risultato di scariche eccessivamente profonde in cui la gravità specifica diventa così bassa che il piombo inizia a dissolversi nell'elettrolita. Questo piombo rimane intrappolato nei separatori, causando cortocircuiti. Sia i cortocircuiti hard sia quelli soft possono causare:

• Perdita di capacità immediata
• Generazione di calore eccessiva
• Potenziale instabilità termica
• Rischi di incendio nei casi più gravi
• Rilascio di gas pericolosi

Essiccazione (specifica per VRLA)

Anche se le batterie al piombo-acido regolate da valvola (VRLA) sono progettate per non richiedere alcuna manutenzione, possono presentare un solo problema: l'essiccazione. A differenza dei modelli a liquido, una volta che una batteria VRLA perde il suo elettrolita, non c'è modo di rifornirlo. Per questo, l'essiccazione è una delle modalità di guasto più insidiose.

Le batterie VRLA possono perdere l'elettrolita a causa di calore eccessivo, sovraccarico, scarsa ventilazione o tensione di carica non corretta. La perdita dell'elettrolita può portare a:

• Aumento dell'impedenza interna
• Riduzione della capacità
• Aumento della temperatura operativa
• Diminuzione dell'efficienza
• Perdita del contatto piastra-elettrolita
• Invecchiamento accelerato
• Potenziale instabilità termica
• Riduzione dei tempi di backup
• Prestazioni inaffidabili
• Aumento dei costi di esercizio
• Guasto prematuro

Instabilità termica (specifica per VRLA)

L'instabilità termica è una modalità di guasto molto seria e pericolosa che può verificarsi con qualsiasi agente chimico della batteria. Nelle batterie al piombo, è più comune nei modelli VRLA rispetto a quelli VLA.  A differenza di altre modalità di guasto che si sviluppano gradualmente, l'instabilità può aumentare rapidamente e, in alcuni casi, può causare nel giro di poche ore un guasto irreversibile. L'instabilità termica è un processo auto-alimentato in cui calore e corrente si alimentano l'uno con l'altro generando una pericolosa spirale in cui la batteria si riscalda, trasmette più corrente e genera più calore, aumentando così la trasmissione di corrente e così via, in un ciclo vizioso che porta all'insorgere di un guasto.

Il rilevamento precoce, basato su questi criteri, è fondamentale per prevenire i guasti irreversibili:

• Temperatura elevata
• Resistenza inferiore 
• Aumento della corrente 
• Generazione di gas superiore al tasso di ricombinazione
• Accumulo di pressione, con conseguente ventilazione forzata
• Perdita dell'elettrolita 

Modalità di guasto delle batterie agli ioni di litio

Anche se le batterie agli ioni di litio hanno rivoluzionato lo stoccaggio di energia, presentano modalità di guasto peculiari.

Accumulo dello strato SEI

Lo strato di interfaccia dell'elettrolita a stato solido (SEI) è essenziale per il funzionamento di una batteria agli ioni di litio; tuttavia, durante la durata di vita della batteria, aumenta di spessore nel tempo a una velocità che è influenzata da molteplici fattori. La crescita dello strato SEI ha implicazioni dirette sull'impedenza della batteria:

• Aumento progressivo dell'impedenza
• Aumento della caduta di tensione sotto carico
• Riduzione della capacità di corrente massima
• Aumento del riscaldamento durante il funzionamento

Placcatura di litio

La placcatura di litio è una delle modalità di guasto più gravi delle batterie agli ioni di litio e può comportare guasti irreversibili. A differenza dei meccanismi di deterioramento graduale, la placcatura di litio può creare rischi immediati per la sicurezza ed è necessaria un'attenta gestione per evitarli. Quando la batteria funziona normalmente, gli ioni di litio si intercalano (si inseriscono) nella struttura in grafite dell'anodo durante la carica. Tuttavia, in determinate condizioni, gli ioni si accumulano sulla superficie dell'anodo e si formano depositi metallici di litio. Con questo processo, i dendriti crescono e la struttura diventa instabile.

La placcatura di litio rappresenta gravi problemi per la sicurezza:

• Cortocircuiti interni
• Potenziale di instabilità termica
• Possibilità di rottura delle celle
• Riduzione della capacità
• Aumento della resistenza interna
• Invecchiamento accelerato
• Squilibrio delle celle
• Potenziale rischio di incendio

Invecchiamento non uniforme

Molti processi di invecchiamento delle batterie sono solitamente considerati uniformi in tutta la cella, ma la realtà è spesso più complessa. L'invecchiamento non uniforme si verifica quando diverse parti della cella invecchiano a ritmi diversi, creando punti deboli localizzati che possono influire significativamente sulle prestazioni e sulla sicurezza. Ciò può comportare:

• Riduzione della capacità complessiva
• Aumento della resistenza interna
• Distribuzione di corrente irregolare
• Risposta a tensione variabile

Guasti del BMS

Il sistema di gestione della batteria (BMS) è l'intelligenza alla base del funzionamento sicuro ed efficiente delle batterie agli ioni di litio. Quando il BMS si guasta, può compromettere sia le prestazioni sia la sicurezza della batteria, pertanto la conoscenza di questi guasti è fondamentale. I guasti del BMS possono manifestarsi in vari modi, ad esempio problemi di hardware, software o calibrazione.

I guasti del BMS possono avere gravi implicazioni per la sicurezza:

• Rischio di sovraccarico
• Potenziale di scarica eccessiva
• Errore di controllo della temperatura
• Errori nei limiti di corrente
• Mancanza di avvertenze critiche
• Risposta di arresto ritardata
• Disconnessione di emergenza non riuscita
• Gestione termica inadeguata
• Squilibrio delle celle
• Instabilità termica 
• Stress eccessivo sulle celle
• Invecchiamento accelerato

Problemi relativi alle stringhe di batterie

Oltre ai singoli guasti delle batterie, le stringhe di batterie sono soggette a un'altra importante modalità di guasto: il deterioramento dei collegamenti tra le celle in assenza di una corretta manutenzione. Questo deterioramento è dovuto a molteplici fattori, tra cui corrosione, vibrazioni e ripetute variazioni di temperatura. Quando i collegamenti si deteriorano, la loro resistenza aumenta. Ciò potrebbe passare inosservato quando la stringa trasmette solo una piccola corrente di flottazione; tuttavia, quando viene richiesto di erogare una corrente più elevata, l'aumento della resistenza dei collegamenti può portare a un surriscaldamento che, in alcuni casi, crea un pericolo di incendio. 

I collegamenti tra le celle sono spesso il collegamento più debole di una batteria e il loro guasto può avere gravi conseguenze:

• Resistenza elevata
• Aumento del calore
• Riduzione della capacità
• Squilibri di tensione

Test e prevenzione: la migliore difesa dai guasti delle batterie

Comprendere le modalità di guasto è fondamentale, ma prevenire i guasti attraverso attività di test e manutenzione corrette è ancora più importante. La corretta manutenzione e i test regolari con le attrezzature giuste non sono solo una buona pratica, ma sono essenziali per:

• Garantire l'affidabilità del sistema
• Proteggere gli investimenti
• Garantire la sicurezza
• Rispettare gli obblighi
• Ottimizzare le prestazioni

Tratteremo gli approcci di test e manutenzione in modo più dettagliato in un post futuro.

Conclusione

Come abbiamo visto, le batterie possono presentare svariate tipologie di guasto, dal graduale deterioramento delle griglie positive delle batterie al piombo-acido, alla placcatura di litio potenzialmente pericolosa nei sistemi agli ioni di litio. Comprendere queste modalità di guasto non è solo una questione accademica, ma è fondamentale per proteggere le infrastrutture critiche, garantire la continuità aziendale e mantenere la sicurezza.

Alcune modalità di guasto, come la solfatazione o l'accumulo di strati SEI, operano lentamente e in modo costante, indebolendo gradualmente le prestazioni della batteria. Altre modalità, come l'instabilità termica o i cortocircuiti interni, possono colpire rapidamente e in modo drastico. Tuttavia, tutte le tipologie di guasto hanno una caratteristica in comune: presentano segnali di allarme prima di causare un guasto irreversibile.

Perciò, i test e la manutenzione regolari sono fondamentali. Il costo dell'implementazione di programmi di test e manutenzione adeguati è minimo rispetto alle potenziali conseguenze di guasti alle batterie, che possono andare da costose sostituzioni e inattività del sistema a gravi incidenti di sicurezza.

Nel nostro prossimo post, vedremo come rilevare i segnali di avvertimento attraverso attività di test e manutenzione adeguate. Conoscere le modalità di guasto delle batterie è solo il primo passo: sapere come evitare guasti è ancora più importante.