Batterie agli ioni di litio: perché e quando rappresentano un rischio di contatto chimico per la persona?
Negli ultimi anni si è assistito a una crescita dell’uso di veicoli a motore per la mobilità personale dotati di motori non a combustione come i monopattini, le biciclette, i monocicli, gli hoverboard e dispositivi simili. Come è il caso per un numero sempre maggiore di veicoli elettrici, la maggior parte di tali veicoli contiene batterie agli ioni di litio, apprezzate per la loro eccellente longevità ed efficienza di accumulo dell’energia.
Batterie agli ioni di litio: come funzionano?
Commercializzate a partire dagli anni ’90 da Sony, le batterie agli ioni di litio consentono di convertire l’energia chimica in energia elettrica. Immagazzinano l’energia elettrica in modo tale da poter essere caricate o scaricate. Le batterie agli ioni di litio sono costituite da una o più celle (unità di energia) protette da un involucro che può variare per forma e dimensione. Ogni cella è costituita principalmente da un elettrodo positivo (catodo), un elettrodo negativo (anodo), un elettrolita (liquido conduttore di ioni contenente un solvente e un sale conduttore) e un separatore (barriera fisica tra anodo e catodo).
Il principale composto chimico del catodo è il litio metallico, come l’ossido di litio-cobalto (LiCoO2). L’anodo è composto fondamentalmente da carbonato di litio, come la grafite. La reazione di ossidazione nell’anodo crea elettroni e la reazione di riduzione nel catodo li assorbe.
Quando la batteria viene caricata, gli ioni di litio Li+ immagazzinati nell’elettrodo positivo (catodo) vengono trasportati dall’elettrolita all’elettrodo negativo (anodo), mentre gli elettroni si spostano dall’anodo al catodo. Quando la batteria si scarica e produce una corrente elettrica (l’energia sotto forma di elettricità viene eliminata dalla cella della batteria), gli ioni di litio Li+ si muovono in direzione opposta. Questa corrente elettrica viene quindi convertita per azionare un motore o un dispositivo elettronico.
L’utilizzo di batterie agli ioni di litio comporta dei rischi?
La gestione termica delle batterie agli ioni di litio svolge un ruolo importante per la loro durata, le prestazioni e i rischi per la sicurezza.
La temperatura di esercizio ottimale per una batteria agli ioni di litio è compresa tra i 20 e i 40°C. Nella maggior parte delle batterie agli ioni di litio è presente un sistema di controllo della temperatura del dispositivo (“Battery Management System”, BMS) che impedisce alla batteria di funzionare oltre una certa soglia di temperatura (di solito 60°C).
Se la temperatura della batteria supera questa soglia, si verifica la decomposizione del rivestimento anodico. Al di sopra dei 70°C, l’elettrolita inizia a evaporare e ad aumentare la pressione nella cella, il che può causare guasti meccanici all’interno della batteria. Il calore aumenta la velocità della reazione che a sua volta aumenta la temperatura. Una successione di reazioni chimiche esotermiche all’interno di ciascuna cella può innescare una fuga termica che porta a un effetto domino fino al degrado di tutte le celle della batteria. Sovraccarichi, cortocircuiti o la presenza di calore esterno possono essere all’origine di questa fuga termica. L’aumento incontrollato della temperatura e della pressione all’interno della batteria provoca la degradazione dell’elettrolita che può fuoriuscire (sotto forma di liquido o di gas), incendiarsi ed esplodere.
L’elettrolita è composto da un solvente, principalmente carbonati organici, e da un sale conduttore come l’esafluorofosfato di litio (LiPF6). I carbonati organici in forma liquida o gassosa presentano un elevato rischio di infiammabilità, mentre l’esafluorofosfato di litio è nocivo se ingerito e provoca gravi danni alla pelle e agli occhi in caso di contatto. Può anche causare danni agli organi se il contatto è prolungato o ripetuto. Se l’elettrolita fuoriesce e reagisce con l’umidità o l’acqua, o se prende fuoco, può formarsi acido fluoridrico (HF) liquido o gassoso. La sua concentrazione dipende dalla temperatura della combustione e dalla quantità di elettrolita che sta bruciando.
L’acido fluoridrico rappresenta un doppio pericolo per il corpo umano. È un prodotto corrosivo a causa degli ioni H+ presenti nell’acido che distruggono le aree superficiali del corpo umano e molto tossico a causa degli ioni fluoruro F– che penetrano in profondità e provocano una necrosi cellulare. La chelazione degli ioni fluoruro sul calcio e sul magnesio provoca ipocalcemia e ipomagnesiemia, nonché la distruzione dei tessuti sottostanti. La deplezione di questi elementi porta a un eccesso di potassio e provoca uno squilibrio biologico che può manifestarsi con aritmie cardiache.
Quanto maggiore è la concentrazione di HF, tanto più rapidamente la vittima avvertirà le conseguenze dell’esposizione. Ad esempio, quando la concentrazione di acido fluoridrico è inferiore al 20%, il dolore compare solo 24 ore dopo il contatto con il tessuto. La gravità e le conseguenze dell’esposizione dipendono dalla quantità e dalla concentrazione di HF e dalla superficie interessata. Il contatto con l’HF può provocare gravi effetti sistemici (fino all’arresto cardiaco, …), gravi ustioni della pelle, degli occhi o del tratto digestivo, nonché irritazione delle vie respiratorie in caso di inalazione fino all’edema polmonare.
Oltre all’acido fluoridrico, durante la combustione dell’elettrolita si formano e vengono rilasciati anche altri gas tossici (ossidi di carbonio).
Cosa fare e come proteggersi quando una batteria agli ioni di litio si guasta?
Sebbene le batterie agli ioni di litio siano affidabili e il rischio di combustione sia relativamente raro, è importante conoscere i consigli di sicurezza da seguire quando sono maneggiate, conservate o smaltite (consultare il manuale di istruzioni fornito con il veicolo elettrico). In caso di guasto della batteria agli ioni di litio in cui si osserva la fuoriuscita di gas, è molto importante allontanarsi dalla batteria per evitare gas nocivi, fiamme e possibili esplosioni.
Qualora l’acido fluoridrico (gas o liquido) entrasse in caso di contatto con gli occhi o con la pelle, è essenziale iniziare la decontaminazione il prima possibile, con acqua (idealmente entro 10 secondi dal contatto) seguita dall’applicazione di gluconato di calcio, oppure con la soluzione HEXAFLUORINE®. L’acqua è una soluzione passiva e ipotonica che rimuove la sostanza chimica dalla superficie del tessuto biologico. Dopo il lavaggio con acqua, l’applicazione di gluconato di calcio limita l’azione degli ioni fluoruro.
La soluzione HEXAFLUORINE® è una soluzione attiva e ipertonica. Al pari dell’acqua, la soluzione HEXAFLUORINE® permette di rimuovere l’HF presente sulla superficie dei tessuti e, a differenza dell’acqua, permette di estrarre l’HF dai tessuti. L’agente attivo della soluzione HEXAFLUORINE® blocca l’azione chimica degli ioni idrogeno e degli ioni fluoruro. La soluzione HEXAFLUORINE® permette di iniziare immediatamente l’estrazione dell’acido fluoridrico penetrato e di avere maggiori possibilità d’intervento nei confronti di un prodotto potenzialmente letale. Affinché il protocollo di decontaminazione sia efficace, è necessario rimuovere gli indumenti e gli accessori. In tutti i casi è indispensabile il parere del medico.
Si invita a prestare attenzione poiché, anche se l’incendio della batteria agli ioni di litio viene spento, accade spesso che l’incendio si ripresenti alcune ore o giorni dopo l’incidente iniziale a causa della fuga termica che può ripetersi.
