Modellazione analitica di un sistema di raffreddamento a PCM per batterie agli ioni di litio

Perché le batterie più fredde sono importanti

Le batterie agli ioni di litio alimentano i nostri telefoni, laptop e auto elettriche, ma affrontano silenziosamente un problema: si surriscaldano. Un calore eccessivo può accorciare la vita della batteria e, nei casi estremi, innescare guasti pericolosi. Questo studio esamina un modo intelligente per domare quel calore usando materiali speciali che si fondono e assorbono energia, e propone un metodo rapido, alla portata di carta e matita, per prevedere quanto funzionerà questo raffreddamento prima che gli ingegneri costruiscano un pacco.

Immagazzinare energia e disperdere calore

Nel passaggio dai combustibili fossili, le batterie sono diventate centrali per immagazzinare elettricità pulita e muovere i veicoli. Le celle agli ioni di litio sono attraenti perché immagazzinano molta energia in un piccolo volume e possono essere caricate e scaricate molte volte. Il rovescio della medaglia è che le stesse reazioni che forniscono alta potenza generano anche calore. Se la temperatura diventa troppo alta o varia bruscamente all’interno di un pacco, le celle invecchiano più rapidamente, perdono capacità e hanno maggior rischio di entrare in runaway termico, la reazione a catena che può portare a incendi.

Un rivestimento simile a cera attorno a ogni cella

Un modo promettente per raffreddare le batterie è racchiudere ogni cella in un materiale a cambiamento di fase, spesso una sostanza simile a cera. Quando la batteria si riscalda, questo materiale si fonde e assorbe grandi quantità di energia restando vicino a una temperatura quasi costante, un po’ come il ghiaccio che mantiene fredda una bevanda mentre si scioglie. Esperimenti passati e simulazioni al computer hanno mostrato che tali rivestimenti a cambiamento di fase possono mantenere la superficie esterna delle batterie più fredda e uniforme, ma finora la teoria per le celle cilindriche era limitata, lenta da eseguire o basata su semplificazioni severe.

Un modo più veloce per prevedere il calore nelle celle rotonde

Gli autori sviluppano un modello analitico, cioè un insieme di equazioni che possono essere risolte direttamente invece che con pesanti simulazioni numeriche. Separano il problema in due parti collegate: il calore generato e condotto all’interno della batteria cilindrica, e il calore assorbito e trasportato nel materiale a cambiamento di fase che si fonde spostandosi all’esterno dalla superficie della cella. Utilizzando uno strumento matematico chiamato funzione di Green per la cella e un’espansione perturbativa per il materiale in fusione, essi concordano iterativamente temperatura e flusso termico al confine comune fino a che entrambe le parti coincidono. Questo fornisce la temperatura a ogni raggio all’interno della cella e la posizione del fronte di fusione nel tempo.

Cosa determina quanto si scalda il nucleo della batteria

Con le nuove equazioni, i ricercatori testano come diverse proprietà influenzano le prestazioni di raffreddamento. Confermano che aumentare la conducibilità termica del materiale a cambiamento di fase abbassa la temperatura superficiale della batteria e aiuta a disperdere il calore, ma solo fino a un certo punto. Il punto più caldo del sistema resta il nucleo della cella, e questa regione risponde soprattutto alla conducibilità termica della batteria stessa: rendere la cella più conduttiva può ridurre la temperatura massima del nucleo di circa due terzi nei casi di esempio. Aumentare la capacità del materiale a cambiamento di fase di immagazzinare calore di fusione rende ulteriormente più uniformi le temperature superficiali, ma ha un effetto relativamente piccolo sulla regione più calda in profondità nella cella.

Progettare pacchi per potenza e sicurezza

Il modello mostra anche come cicli di scarica rapidi e correnti più elevate causino riscaldamento e fusione più rapidi del materiale circostante. Monitorando quanto si sposta il fronte di fusione, gli autori possono stimare quanto spesso dovrebbe essere lo strato di materiale a cambiamento di fase in modo che finisca di fondere proprio quando la batteria completa la sua scarica più impegnativa. Questo equilibrio mantiene le temperature entro una finestra sicura evitando cera in eccesso che aumenterebbe il peso e ridurrebbe l’energia immagazzinata complessiva. Lo studio conclude che mentre il raffreddamento a cambiamento di fase è uno strumento passivo efficace, il suo pieno beneficio per le celle cilindriche si ottiene solo quando le celle stesse sono progettate per permettere un più facile smaltimento del calore dai loro nuclei.

Citazione: Farajollahi, A., Gheshlaghchaei, B.A., Jalalvand, M. et al. Analytical modeling of pcm-based cooling system for lithium-ion batteries. Sci Rep 16, 14791 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44226-9

Parole chiave: batterie agli ioni di litio, raffreddamento delle batterie, materiale a cambiamento di fase, gestione termica, celle cilindriche