Mantenere la temperatura di esercizio di una batteria agli ioni di litio 2170 nei climi gelidi tramite preriscaldamento e una struttura PCM in schiuma di allumina

Perché le batterie fredde sono un problema serio

Auto elettriche, laptop e accumulatori domestici si basano su celle agli ioni di litio che funzionano al meglio in una gamma di temperatura relativamente moderata. In pieno inverno, però, queste batterie faticano ad avviarsi, perdono autonomia utile e possono anche invecchiare più rapidamente se usate in modo inappropriato. Questo studio esamina come mantenere nella zona di comfort un tipo di cella cilindrica molto diffuso, la 2170, durante avviamenti in condizioni di freddo intenso, impiegando una combinazione intelligente di preriscaldamento moderato e di un involucro speciale che immagazzina calore.

Mantenere i pacchi energetici a loro agio

La maggior parte delle batterie agli ioni di litio preferisce operare tra circa 15 e 35 gradi Celsius. Al di sotto di questa soglia, le reazioni interne rallentano e la resistenza aumenta, il che si traduce in meno potenza e maggiore stress durante la carica. Al di sopra, l’invecchiamento accelera e possono emergere problemi di sicurezza. Gli autori si concentrano su cosa accade quando una cella 2170 parte da temperature fino a meno 40 gradi, un livello tipico dei climi invernali severi, e valutano come riscaldarla velocemente e poi impedire il surriscaldamento quando comincia a lavorare intensamente.

Un rivestimento che immagazzina calore attorno alla cella

La soluzione proposta avvolge la cella cilindrica in un involucro rettangolare realizzato con una schiuma di allumina altamente porosa impregnata di un materiale ceroso chiamato esadecano. Questo materiale fonde vicino a 18–22 gradi Celsius, molto vicino alla gamma di funzionamento ideale della batteria. Quando la batteria si riscalda e comincia a generare calore, la cera assorbe quell’energia mentre fonde, evitando che la temperatura della cella aumenti rapidamente. La schiuma di allumina, grazie alla sua elevata conducibilità termica e alla robustezza strutturale, distribuisce il calore rapidamente attraverso l’involucro, accelera il processo di fusione e protegge meccanicamente la cella allo stesso tempo.

Simulare avviamenti invernali estremi

Per testare l’idea senza ricorrere a esperimenti costosi e complessi, i ricercatori hanno costruito un modello numerico dettagliato del flusso di calore e di fluidi dentro e attorno alla batteria e al suo involucro. Hanno simulato il comportamento del sistema a temperature ambiente da meno 40 a 0 gradi Celsius e a diversi tassi di scarica, da usi piuttosto leggeri (1C) a richieste elevate (4C). Prima di ogni scarica, una sorgente esterna di preriscaldamento da 20 watt riscalda la cella dal punto di partenza congelato fino a 15 gradi, così che possa iniziare a operare in una zona più sicura. Il modello monitora temperatura media e massima della cella, quanto della cera è fusa, quanto uniformemente viene distribuito il calore e quanta energia consuma il preriscaldatore.

Come il sistema condivide e immagazzina calore

Le simulazioni mostrano che il preriscaldamento porta in modo affidabile la cella fredda fino a 15 gradi in circa 10–53 minuti, a seconda dell’intensità d’uso successiva e di quanto sia freddo l’ambiente. Una volta iniziata la scarica, a livelli di potenza bassi e moderati lo strato ceroso fonde progressivamente e mantiene la cella intorno ai 20 gradi, evitando forti oscillazioni termiche. A potenze più elevate, la batteria si riscalda più rapidamente e può fondere completamente la cera prima della fine della scarica; dopo tale punto le temperature aumentano ma rimangono comunque sotto circa 42 gradi, anche nel caso ambientale più caldo studiato. L’involucro inoltre mantiene le differenze di temperatura all’interno della cella a livelli moderati, limitando i punti caldi che possono accorciare la vita utile.

Bilanciare i tempi di riscaldamento e l’uso di energia

Una domanda pratica importante è quanta energia aggiuntiva richiede il preriscaldatore. Il modello rileva che, alla condizione più fredda di meno 40 gradi, una scarica a bassa potenza (1C) richiede il tempo di riscaldamento più lungo e quindi più energia. All’aumentare del tasso di scarica, il calore di scarto prodotto dalla batteria contribuisce al riscaldamento, perciò il riscaldatore esterno può spegnersi prima e il consumo energetico si riduce di oltre la metà. In condizioni di freddo più mite, più vicine a 0 gradi, la cella può spesso raggiungere la temperatura obiettivo in gran parte mediante auto-riscaldamento, riducendo ulteriormente il carico sul preriscaldatore.

Cosa significa per i veicoli reali

Complessivamente, la combinazione di preriscaldamento e rivestimento in schiuma impregnata di cera mantiene questo tipo di batteria comune entro una zona di temperatura sicura ed efficace anche durante avviamenti invernali severi. Offre un modo in gran parte passivo per smussare i picchi di temperatura e i punti caldi, riducendo al contempo l’energia aggiuntiva necessaria per riscaldare i pacchi congelati. Per gli automobilisti, questo potrebbe tradursi in maggiore autonomia a freddo, prontezza più rapida e migliorata sicurezza nel lungo periodo. Prima che sistemi simili arrivino ai pacchi commerciali, gli ingegneri dovranno comunque studiare la durabilità a lungo termine del composito schiuma-cera e come integrare al meglio questa strategia con l’elettronica di controllo delle batterie esistente, ma il lavoro indica una strada pratica per rendere a prova di inverno le batterie dei veicoli elettrici di nuova generazione.

Citazione: Alkhatib, O.J., Ali, A.B.M., Tursunzoda, F. et al. Maintaining a 2170 lithium-ion battery’s operating temperature in freezing climates using preheating and an alumina foam PCM structure. Sci Rep 16, 10330 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40953-1

Parole chiave: batterie agli ioni di litio, clima freddo, gestione termica, materiali a cambiamento di fase, veicoli elettrici