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VII POWER 19 - OTTOBRE 2018 LI-ION BATTERY un processo di degradazione elettrochimica e compro- mettere la stabilità e la capacità della batteria. Gli espe- rimenti necessari possono essere lunghi e costosi e ri- chiedere molte misure di sicurezza; la strategia quindi è stata quella di lavorare alla validazione di un modello matematico. Il gruppo di ricerca si è affidato alla simula- zione numerica per analizzare diversi scenari operativi, con l’applicazione di sonde per controllare i risultati in ogni punto del modello (cosa che sarebbe difficile – se non impossibile – durante un esperimento). Progettare un esperimento di stress termico Il primo passo è stato la predisposizione di una prova spe- rimentale per misurare le temperature raggiunte durante uno stress termico all’interno della replica di una batteria al litio prismatica. Lo scopo era raccogliere dati che potessero essere utilizzati per validare il modello matematico e analizzare gli effet- ti di vari processi durante la fabbricazione di una cella. La cella consisteva di un anodo e un catodo con doppio rivestimento divisi da un separatore in poliolefina, il tutto avvolto insie- me. La struttura avvolta, nota come jelly roll, era intrisa di solventi organici per sostituire l’elettrolita della batteria. Sistemati sulla cella c’erano otto sensori di temperatura: tre all’in- terno del jelly roll, tre sulla superficie dell’av- volgimento e due sui collettori di corrente dell’anodo e del catodo, chiamati anche ar- rester, realizzati in rame e alluminio (Fig. 1). Modellare il comportamento termico Il team ha creato anche un modello 3D di una cella al litio prismatica commerciale con il software Autodesk Inventor e l’ha importato nel software COMSOL Multiphysics. I tecni- ci hanno simulato il trasferimento di calore tramite conduzione causato da una fonte di calore esterna in diverse posizioni della cella, corrispondenti a differenti processi di fabbri- cazione; parallelamente hanno studiato il na- turale raffreddamento per convezione nelle altre aree della superficie della cella. Le proprietà fisiche e termiche dei materiali individuali sono state definite sperimental- mente e rese omogenee matematicamente nel dominio di un jelly roll con involucro pri- smatico in acciaio. A causa della natura aniso- tropa dei componenti della cella, il modello deve tenere conto della dipendenza direzio- nale dei parametri termici. Nella simulazio- ne, uno stampo rettangolare a caldo è stato applicato nella stessa posizione in cui si tro- vava durante l’esperimento fisico. La figura 2 mostra la distribuzione della temperatura 60 secondi dopo che lo stampo a caldo è entrato in contatto con la superficie della cella. È stato utilizzato un affinamento adattivo del- la mesh per ottenere una discretizzazione più fine nelle regioni in cui i gradienti di temperatura erano più eleva- ti, così da assicurare l’accuratezza dei risultati. Individuare i danni Il modello multifisico si è avvicinato moltissimo al com- portamento mostrato dalla cella fittizia. Dopo aver vali- dato il modello, i membri del team erano in condizione di simulare la propagazione della temperatura all’inter- no della cella durante i vari processi di fabbricazione. La figura 3 illustra la distribuzione della temperatura sulla Figura 1 – A sinistra: una replica di una batteria prismatica al litio. A destra: la geometria CAD utilizzata per modellare la cella. La cella comprende otto sensori di temperatura: O1, O2 e O3 sulla superficie del jelly roll; M1, M2 e M3 in mezzo al jelly roll; A1 e A2 collegati ai conduttori di corrente. Nel modello COMSOL sono state previste sonde sistemate nelle stesse posizioni Figura 2 – I risultati numerici mostrano la distribuzione della temperatura 60 secondi dopo che uno stampo a caldo da 50 W è stato applicato sulla superficie dell’involucro della cella