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Perché la diffusività termica non è solo un parametro dei materiali
Diffusività termica α descrive la velocità con cui un disturbo della temperatura si diffonde in un materiale. Utilizzando la relazione λ = α – ρ – cₚ, essa è direttamente collegata alla conducibilità termica e quindi determina nelle celle agli ioni di litio se il calore generato localmente – ad esempio a causa di reazioni collaterali, nidi di densità di corrente o sovraccarico locale – viene dissipato rapidamente o si accumula fino a diventare un pericoloso punto caldo. I modelli numerici 3D di runtime termico mostrano che anche moderate disomogeneità nella diffusività termica a livello di elettrodi e separatori possono portare a picchi di temperatura altamente localizzati [Oehler et al., 2021; Cloos et al., 2024]. Per l’architettura delle celle, ciò significa che la distribuzione della diffusività termica nello spessore dello strato, nella direzione della superficie e nelle transizioni tra gli strati è importante almeno quanto il valore assoluto di un singolo materiale.
Un esempio pratico è la combinazione di collettori di corrente altamente conduttivi con strati di massa attiva significativamente meno conduttivi. Se la diffusività del rivestimento di grafite è significativamente inferiore a quella del collettore, si forma un gradiente di temperatura pronunciato all’interno dell’anodo ad alte velocità C, che favorisce la placcatura e la degradazione locale del litio [Gandert et al., 2025]. Al contrario, l’aumento selettivo della diffusività o gli additivi termoconduttivi possono mitigare i picchi di temperatura nei punti critici, a patto che siano integrati in modo sensato nel progetto generale.
Anodi di grafite: L'anisotropia come opportunità e rischio
Gli anodi di grafite sono termicamente anisotropi: in piano – lungo il piano dello strato – la conduttività termica e quindi la diffusività termica è significativamente più alta rispetto allo spessore dello strato, il che ha un effetto diretto sulla propagazione dei punti caldi. Le misurazioni effettuate su celle commerciali NMC/grafite dimostrano che il valore di diffusività effettiva del rivestimento anodico non è determinato solo dalla grafite, ma essenzialmente dal legante, dalla fuliggine conduttiva, dalla porosità e dal contatto con il collettore di rame [Cloos et al., 2024; Oehler et al., 2021]. Ne consegue che: La progettazione microstrutturale dello strato dell’elettrodo – dimensioni delle particelle, grado di riempimento, rete di pori – è una leva per controllare la propagazione del calore in modo mirato senza necessariamente compromettere le prestazioni elettrochimiche.
Studi operativi dimostrano che anche lievi aumenti locali di temperatura nei compositi di grafite possono modificare il comportamento del litio e portare a perdite locali di Li dalle fasi LiₓC₆ o alla placcatura sottopotenziale [Wang et al., 2022; Alujjage et al., 2025]. In combinazione con la limitata diffusività termica, si formano punti caldi auto-rinforzati: L’aumento della temperatura accelera le reazioni collaterali, che generano ulteriore calore che rimane intrappolato localmente a causa della mancanza di una rapida diffusione. La diffusività termica dell’anodo non è quindi solo un parametro di sicurezza, ma anche un parametro di degrado che deve essere preso in considerazione nelle strategie di ricarica rapida e nei modelli di durata.
Separatori: collo di bottiglia termico con potenziale di sicurezza
I separatori hanno in genere una diffusività termica significativamente inferiore rispetto agli elettrodi e agli scaricatori di corrente e quindi spesso rappresentano il collo di bottiglia termico nella sezione trasversale della cella. Di conseguenza, possono amplificare le differenze di temperatura tra i lati degli elettrodi; allo stesso tempo, i moderni concetti di separatore agiscono deliberatamente come “fusibile termico”, ad esempio attraverso la chiusura mirata dei pori a temperature definite. L’attuale lavoro sui cosiddetti separatori termici intelligenti mostra che la combinazione di una bassa diffusività di base e di un aumento specifico della conduttività termica attraverso riempitivi ceramici – ad esempio il nitruro di boro (BN) – può mitigare i punti caldi locali mantenendo la funzione elettrochimica durante il normale funzionamento [Li et al., 2025; Liu et al., 2021].
È fondamentale non considerare i separatori in modo isolato, ma in combinazione con l’anodo, il catodo e l’elettrolita. Gli studi indicano che l’interazione tra la diffusività del separatore, la diffusività dell’elettrodo e le resistenze di contatto determina la posizione del punto caldo, ad esempio se le zone critiche tendono a formarsi nel volume dell’elettrodo o in prossimità del separatore [Gandert et al., 2025]. L’emissività della superficie del separatore e degli elettrodi influenza direttamente anche la sensibilità dei metodi di rilevamento delle immagini, come la termografia lock-in o IR.
Rilevamento dei punti caldi: la metrologia operativa incontra la caratterizzazione dei materiali
Per un’analisi affidabile dei punti caldi, non è sufficiente misurare la temperatura esterna di un cilindro o di una cella a sacchetto. Le informazioni sulla temperatura risolte spazialmente e i dati affidabili sui materiali sono fondamentali. La termografia IR operativa, in combinazione con modelli basati sulla fisica, consente di ricavare i campi di temperatura interni e di quantificare i punti caldi, a condizione che sia nota la diffusività termica dei singoli componenti della cella [Wang et al., 2022]. I nuovi sensori a onde termiche utilizzano specificamente la diffusione termica in funzione della frequenza per trarre conclusioni sugli stati di degrado e sui cambiamenti locali delle proprietà termiche dalla risposta all’eccitazione termica modulata.
Un recente studio sull’evoluzione della temperatura interna delle celle agli ioni di litio dimostra che la discrepanza tra la misurazione della temperatura interna ed esterna in condizioni operative può essere considerevole e che i punti caldi e la placcatura di litio sugli anodi di grafite possono essere pienamente quantificati solo in questo modo [Alujjage et al., 2025]. Non solo il livello di temperatura assoluta, ma anche l’andamento temporale con la diffusività termica nota fornisce informazioni preziose su difetti locali, disomogeneità o zone di invecchiamento. L’accoppiamento dei metodi di misurazione operativa con le diffusività determinate sperimentalmente è quindi uno strumento efficace per individuare i punti deboli dell’architettura cellulare già nella fase di ideazione del materiale e della cellula.
Formato della cella e diffusività termica: cella rotonda, sacca e prismatica a confronto
La diffusività termica ha effetti fondamentalmente diversi a seconda del formato della cella, con conseguenze dirette sulla progettazione del sistema di gestione termica e sulla suscettibilità ai punti caldi.
Le celle rotonde (18650, 21700) sono caratterizzate da una marcata anisotropia tra la direzione assiale e quella radiale. Per le celle tonde 18650 sono state misurate conducibilità termiche anisotrope di 0,20 W-m-¹-°C-¹ in direzione radiale e fino a 30,4 W-m-¹-°C-¹ in direzione assiale. Il calore generato nel nucleo della cella viene quindi dissipato preferibilmente in senso assiale, mentre il trasporto radiale – in direzione della superficie della cella e del sistema di raffreddamento – è fortemente inibito. Ad alte velocità di C, questo comporta notevoli gradienti di temperatura tra il nucleo e il rivestimento, che non possono essere rilevati con una semplice misurazione esterna della temperatura [Gandert et al., 2025].
Le celle a sacchetto hanno caratteristiche complementari: le celle a sacchetto hanno una buona dissipazione del calore in piano grazie alla loro ampia superficie e al design piatto. Tuttavia, poiché la dissipazione del calore in direzione passante è meno omogenea, possono verificarsi gradienti di temperatura e punti caldi, particolarmente accentuati durante la ricarica rapida. La caratterizzazione termica delle celle a sacchetto richiede quindi metodi in grado di cogliere entrambe le direzioni: l’analisi laser flash su pile di strati rappresentativi fornisce i dati di input più affidabili per i modelli di simulazione [Lin et al., 2022; Cloos et al., 2024].
Le celle prismatiche combinano elementi di entrambe le geometrie. Nelle celle prismatiche e a sacca, la conducibilità termica viene scomposta lungo la lunghezza, l’altezza e lo spessore dello strato, mentre nelle geometrie cilindriche è più appropriata una scomposizione in direzione radiale e assiale. Anche in questo caso, la diffusività passante – perpendicolare agli strati di elettrodi – rappresenta il collo di bottiglia termico dominante [Oehler et al., 2021].
Ciò si traduce in un chiaro requisito per la tecnologia di misurazione: una singola misurazione della diffusività scalare non è sufficiente per nessuno di questi formati. Solo la caratterizzazione anisotropa completa di sistemi di strati realistici nell’intervallo di temperatura pertinente fornisce i parametri di input per simulazioni termiche affidabili e previsioni di punti caldi [Gandert et al., 2025; Cloos et al., 2024].
Tecnologia di misurazione: analisi dei flash come base per parametri realistici dei materiali
Un metodo robusto per misurare la diffusività termica di anodi, separatori e strutture composite in grafite è essenziale per la ricerca e lo sviluppo e per il controllo qualità. Un approccio consolidato è l’analisi laser flash (LFA): Un breve impulso di energia riscalda la superficie di un campione e l’aumento di temperatura nel tempo sul lato opposto viene registrato con un rilevatore IR, da cui è possibile calcolare la diffusività termica [Balaji et al., 2024]. La combinazione con la densità e la capacità termica specifica dà come risultato la conduttività termica, il parametro di input principale dei modelli di simulazione termica.
Per i materiali rilevanti per le batterie, è importante analizzare non solo campioni sfusi, ma anche configurazioni realistiche: Rivestimenti di grafite su rame, fogli di separazione o pile di elettrodi compositi. Gli studi dimostrano che la diffusività termica effettiva di un elettrodo composito si discosta notevolmente dal valore ideale della grafite pura, in particolare a causa dell’interfaccia con la lamina di rame e della distribuzione degli additivi polimerici e conduttivi [Cloos et al., 2024; Gandert et al., 2025].
Conseguenze strategiche per lo sviluppo delle batterie
Per gli sviluppatori di architetture di celle, c’è un chiaro piano d’azione: la diffusività termica deve essere presa in considerazione fin dalle prime fasi del processo di selezione dei materiali, soprattutto per le formulazioni di anodi in grafite e per i concetti di separatori. Le anisotropie possono essere utilizzate in modo mirato, ad esempio attraverso un’elevata diffusività in piano per la dissipazione laterale del calore; allo stesso tempo, i gradienti attraverso lo spessore dello strato devono essere verificati tramite misurazioni e modellizzazione [Oehler et al., 2021]. I modelli dei materiali e delle celle devono essere sistematicamente alimentati con i valori di diffusività determinati sperimentalmente, al fine di ricavare campi di temperatura realistici e scenari di fuga termica. I metodi operativi – termografia IR, onde termiche, sensori interni – dispiegano tutto il loro potenziale solo in combinazione con dati termofisici esatti: I punti caldi diventano così non solo qualitativamente visibili, ma anche quantitativamente valutabili [Alujjage et al., 2025].
La diffusività termica si sta quindi trasformando da un parametro del materiale spesso trascurato in un parametro di sviluppo strategico che può essere utilizzato per aumentare i margini di sicurezza, estendere le finestre di ricarica rapida e mitigare i meccanismi di degrado negli anodi e nei separatori di grafite in una fase iniziale.
Bibliografia
[Alujjage et al, 2025] Alujjage, N. et al: Metrologia e analisi dell’evoluzione della temperatura interna nellecelleagli ioni di litio. Advanced Functional Materials, 2025. DOI: 10.1002/adfm.202417273 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417273
[Balaji et al, 2024] Balaji, C. et al: Thermal Transport and Thermal Diffusivity by Laser Flash Technique: A Review. International Journal of Thermophysics, 2024. DOI: 10.1007/s10765-024-03479-0 https://www.researchgate.net/publication/387526329_Thermal_Transport_and_Thermal_Diffusivity_by_Laser_Flash_Technique_A_Review
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[Liu et al., 2021] Liu, W. et al:Batterieagli ioni di litio più sicuredal punto di vista del separatore: sviluppo e prospettive future. Energy & Environmental Materials, 2021. DOI: 10.1002/eem2.12129 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/eem2.12129
[Oehler et al., 2021] Oehler, D.; Seegert, P.; Wetzel, T.: Investigation of the Effective Thermal Conductivity of Cell Stacks ofLi-IonBatteries. Energy Technology, 2021. DOI: 10.1002/ente.202000722 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ente.202000722
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