Come si deteriorano le batterie: comprendere le modalità di guasto delle batterie

Le implicazioni finanziarie dei guasti alle batterie sono significative. Quando un sistema di batterie si guasta, le organizzazioni devono affrontare non solo i costi diretti di sostituzione, ma anche i costi indiretti legati 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.

Tenendo presente tutto ciò, analizziamo i principali modi in cui le batterie possono guastarsi.
 

Modalità di guasto delle batterie al piombo
 

Le batterie al piombo sono uno dei tipi più comuni di batterie stazionarie. Pur essendo affidabili e ben conosciute, possono guastarsi in diversi modi.
 

Corrosione della griglia positiva

La corrosione della griglia positiva è un processo chimico in cui la lega di piombo che costituisce la griglia positiva della batteria si converte gradualmente in ossido di piombo. Questo processo è accelerato da temperature elevate, sovraccarichi e cicli eccessivi. Sebbene un certo grado di corrosione della griglia sia normale e sia stato progettato nelle batterie, una corrosione eccessiva può ridurre significativamente la durata della batteria:

•     Espansione fisica delle piastre
•     Aumento della resistenza interna
•     Riduzione della capacità di alimentazione
•     Eventuale guasto della batteria
   

Solfatazione

Durante la normale scarica della batteria, i materiali attivi di una batteria al piombo (piombo e biossido di piombo) reagiscono con l'acido solforico formando solfato di piombo. Si tratta di un processo naturale e necessario. Tuttavia, c'è una differenza fondamentale tra il solfato di piombo morbido e normale che si forma durante la scarica regolare e il problematico solfato cristallino che può svilupparsi in determinate condizioni. La solfatazione è ampiamente prevenibile e normalmente reversibile, ma può diventare permanente se le batterie rimangono in uno stato di scarica, se la ricarica è insufficiente o se si trascura la manutenzione regolare. Le conseguenze sono:

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

Cortocircuiti interni

I cortocircuiti interni spesso si sviluppano gradualmente e possono essere difficili da individuare fino a quando non si verificano danni significativi. A differenza dei corti esterni, che di solito sono evidenti, i corti interni agiscono silenziosamente all'interno della batteria, creando potenzialmente condizioni pericolose.

I cortocircuiti interni nelle batterie al piombo-acido si dividono generalmente in due categorie: cortocircuiti duri e cortocircuiti morbidi. I corti duri sono in genere causati da grumi di pasta dovuti a difetti di fabbricazione. I cortocircuiti morbidi sono il risultato di scariche troppo profonde in cui il peso specifico diventa così basso che il piombo inizia a dissolversi nell'elettrolita. Questo piombo rimane intrappolato nei separatori, causando i cortocircuiti. Sia i corti duri che quelli morbidi causano:

•     Perdita immediata di capacità
•     Generazione di calore eccessivo
•     Potenziale fuga termica
•     Rischio di incendio nei casi più gravi
•     Rilascio di gas pericolosi
   

Secchezza (specifica per le VRLA)

Sebbene le batterie VRLA (valve regulated lead acid) siano state sviluppate per essere esenti da manutenzione, devono affrontare una sfida unica: il dry-out. A differenza delle loro controparti allagate, una volta che una batteria VRLA perde l'elettrolita, non c'è modo di reintegrarlo. Questo rende il dry-out una delle modalità di guasto più insidiose.

Le batterie VRLA possono perdere l'elettrolito a causa del calore eccessivo, del sovraccarico, della scarsa ventilazione o della tensione di carica non corretta. La perdita di elettrolito provoca:

•     Aumento dell'impedenza interna
•     Capacità ridotta
•     Temperatura di esercizio più elevata
•     Diminuzione dell'efficienza
•     Perdita del contatto piastra-elettrolita
•     Invecchiamento accelerato
•     Potenziale fuga termica
•     Riduzione del tempo di backup
•     Prestazioni inaffidabili
•     Aumento dei costi operativi
•     Guasto prematuro  
   

Fuga termica (specifica per VRLA)

La fuga termica è una modalità di guasto drammatica e pericolosa che può verificarsi con qualsiasi chimica di batteria. Nelle batterie al piombo acido è più comune nei tipi VRLA che VLA.  A differenza di altre modalità di guasto che si sviluppano gradualmente, la fuga termica può aggravarsi rapidamente, portando potenzialmente a un guasto catastrofico nel giro di poche ore. Il runaway termico è un processo di auto-rinforzo in cui il calore e la corrente si alimentano a vicenda in una pericolosa spirale in cui la batteria si riscalda e passa più corrente, che genera altro calore, quindi la batteria passa ancora più corrente, e il ciclo continua fino al guasto.

Il rilevamento precoce, basato su questi criteri, è fondamentale per evitare guasti catastrofici:

•     Temperatura elevata
•     Resistenza inferiore 
•     Aumento della corrente 
•     Generazione di gas superiore al tasso di ricombinazione
•     Aumento della pressione, che costringe allo sfiato
•     Perdita di elettroliti
   

Modalità di guasto delle batterie agli ioni di litio
 

Le batterie agli ioni di litio hanno rivoluzionato l'immagazzinamento dell'energia, ma presentano una serie di modalità di guasto uniche.
 

Formazione dello strato SEI

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

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

Placcatura del litio

La placcatura del litio è una delle modalità di guasto più gravi nelle batterie agli ioni di litio, che può portare a guasti catastrofici. A differenza dei meccanismi di degradazione graduale, la placcatura del litio può creare rischi immediati per la sicurezza e per evitarla è necessaria una gestione attenta. Quando la batteria funziona normalmente, gli ioni di litio si intercalano (si inseriscono) nella struttura di grafite dell'anodo durante la carica. Tuttavia, in determinate condizioni, gli ioni si accumulano sulla superficie dell'anodo e si formano depositi di litio metallico. Alla fine si formano dendriti e la struttura diventa instabile.

La placcatura del litio crea seri problemi di sicurezza:

•     cortocircuiti interni
•     Potenziale di fuga termica
•     Possibilità di rottura della cella
•     Degrado 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 generalmente 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 debolezze localizzate che possono avere un impatto significativo sulle prestazioni e sulla sicurezza. Può comportare:

•     Riduzione della capacità complessiva
•     Aumento della resistenza interna
•     Distribuzione disomogenea della corrente
•     Risposta variabile alla tensione
   

Guasti al BMS

Il sistema di gestione della batteria (BMS) è l'intelligenza critica che consente alle batterie agli ioni di litio di funzionare in modo sicuro ed efficiente. Quando il BMS si guasta, può compromettere le prestazioni e la sicurezza della batteria, per cui la comprensione di questi guasti è fondamentale. I guasti del BMS possono manifestarsi in vari modi, come problemi di hardware, software o calibrazione.

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

•     Rischio di sovraccarico
•     Potenziale di sovrascarica
•     Mancanza di controllo della temperatura
•     Guasti al limite di corrente
•     Mancanza di avvisi critici
•     Risposta ritardata allo spegnimento
•     Mancata disconnessione di emergenza
•     Gestione termica inadeguata
•     Squilibrio delle celle
•     Fuga termica 
•     Eccessivo stress sulle celle
•     Invecchiamento accelerato
   

Problemi delle stringhe di batterie

Oltre ai guasti delle singole batterie, le stringhe di batterie sono soggette a un'altra importante modalità di guasto: il degrado delle connessioni tra le celle se non vengono mantenute correttamente. Questo degrado è dovuto a diversi fattori, tra cui la corrosione, le vibrazioni e le ripetute variazioni di temperatura. Quando le connessioni si degradano, la loro resistenza aumenta. Questo può non essere notato quando la stringa passa solo una piccola corrente di galleggiamento, ma quando è chiamata a fornire una corrente più elevata, l'aumento della resistenza delle connessioni può portare a un riscaldamento eccessivo che, in alcuni casi, crea un rischio di incendio.

I collegamenti tra le celle sono spesso l'anello più debole di una stringa di batterie e il loro malfunzionamento può avere gravi conseguenze:

•     Elevata resistenza
•     Aumento del calore
•     Riduzione della capacità
•     Squilibri di tensione
   

Test e prevenzione: La migliore difesa contro i guasti delle batterie
 

Conoscere le modalità di guasto è fondamentale, ma prevenire i guasti attraverso test e manutenzione adeguati è ancora più importante. Una manutenzione adeguata e test regolari con le attrezzature giuste non sono solo una buona pratica, ma sono essenziali per:

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

In un prossimo post tratteremo più dettagliatamente gli approcci di test e manutenzione.
 

Conclusione

Come abbiamo visto, le batterie possono guastarsi in molti modi, dal degrado graduale delle griglie positive nelle batterie al piombo-acido alla placcatura al litio potenzialmente pericolosa nei sistemi agli ioni di litio. Comprendere queste modalità di guasto non è solo una questione accademica: si tratta di 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, agiscono in modo lento e costante, compromettendo gradualmente le prestazioni della batteria. Altri, come la fuga termica o i cortocircuiti interni, possono colpire in modo rapido e drammatico. Ma tutti hanno una caratteristica fondamentale: danno segnali di allarme prima di provocare un guasto catastrofico.

Ecco perché è così importante eseguire regolarmente i test e la manutenzione. Il costo dell'implementazione di programmi di test e manutenzione adeguati è minimo rispetto alle potenziali conseguenze di un guasto della batteria, conseguenze che possono andare da costose sostituzioni e tempi di inattività del sistema a gravi incidenti di sicurezza.

Sapere come le batterie si guastano è solo il primo passo: sapere come prevenire i guasti è ancora più importante.