Le batterie per auto si gonfiano a piena carica: è un problema?

Una batteria al litio non resta uguale a se stessa durante la ricarica. Quando si riempie di energia si gonfia leggermente, mentre quando si scarica torna a restringersi. E questo continuo movimento mette sotto stress anche il suo involucro.

Uno studio pubblicato sul Journal of Energy Storage ha misurato proprio quanto cambiano le dimensioni dei contenitori metallici delle celle prismatiche, quelle utilizzate anche nei pacchi batteria delle auto elettriche.

Sembra un dettaglio da laboratorio, ma è un fenomeno importante: a ogni ciclo di ricarica la cella respira, dilatandosi e contraendosi. Il guscio metallico deve quindi assecondare questi movimenti senza deformarsi troppo. Da qui passano anche durata, affidabilità e sicurezza delle batterie.

Cosa succede dentro una cella prismatica quando si carica

Le celle prismatiche hanno un guscio rigido in metallo e sono molto diffuse nelle batterie delle auto elettriche. Le utilizzano, tra gli altri, BYD con le famose celle Blade, CATL e Samsung SDI. Rispetto alle celle pouch, più morbide e flessibili, il loro involucro metallico nasconde in parte quello che succede all'interno.

Sezione di una cella prismatica in guscio metallico rigido, con vista sulla stratificazione interna degli elettrodi e la resistenza alle sollecitazioni da rigonfiamento.

Foto di: Motor1 Italia visual (AI-assisted)

E dentro, durante la ricarica, qualcosa si muove davvero. Il litio entra negli elettrodi e la loro struttura si espande: la cella si gonfia leggermente, aumentando di spessore, per poi tornare verso le dimensioni iniziali quando si scarica. È un fenomeno normale e reversibile che si ripete a ogni ciclo.

Ma c'è anche un gonfiore che non torna indietro. Con l'invecchiamento possono formarsi gas e nuovi strati sugli elettrodi, mentre può verificarsi anche il lithium plating. Il risultato è una cella che, a fine vita, resta più spessa rispetto a quando era nuova.

Perché la deformazione del contenitore conta per il pacco batteria

Nel contenitore rigido di una cella prismatica, una data quantità di gas interno produce più aumento di pressione che rigonfiamento visibile: la deformazione si trasferisce alla struttura del pack invece che liberarsi verso l'esterno. Per questo la progettazione deve tenere conto delle sollecitazioni meccaniche generate durante la carica.

Mantenere una cella a piena carica, vicino ai 4,2 volt, accelera le condizioni che portano al rigonfiamento rispetto a una gestione che limita la tensione massima: lo stress elettrochimico che degrada la cella cresce con il potenziale dell'elettrodo. Sovraccarica, temperature elevate e correnti alte peggiorano ulteriormente il fenomeno.

Per governare questa variazione di spessore, i pacchi usano sistemi di compressione e cuscinetti dedicati, mantenendo la pressione sulle celle dentro una finestra ottimale indicata dal produttore. Uscire da quella finestra, per eccesso o per difetto, aumenta l'impedenza interna e accelera il degrado della cella, con conseguenze dirette sull'autonomia disponibile nel tempo.

La variabilità tra celle diverse dentro lo stesso pacco, sottoposte agli stessi profili di carica, può rendere alcune di loro il punto debole dell'intero sistema, come mostrano i dati di flotta reale sull'invecchiamento delle batterie EV.

È lo stesso principio meccanico che regola lo stress meccanico nelle batterie al litio metallico, applicato qui al formato prismatico più diffuso nei veicoli attuali.

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