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Perché le batterie esplodono

Di solito ci interessa solo che durino il più possibile, ma i recenti problemi con i Samsung Galaxy Note 7 ci ricordano quanto sia complicato renderle sicure

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Da più di un mese Samsung deve fare i conti con i seri problemi che stanno interessando i suoi Galaxy Note 7, un nuovo modello di smartphone presentato dall’azienda sudcoreana ad agosto e che avrebbe dovuto fare concorrenza soprattutto agli iPhone di Apple. A causa di alcuni difetti di fabbrica legati alla loro batteria, decine di Galaxy Note 7 hanno causato piccole esplosioni, incendi e prodotto fumo che in alcuni casi ha intossicato i suoi proprietari. Dopo avere avviato una campagna di richiamo per gli oltre 2,5 milioni di smartphone già venduti, si è scoperto che anche alcuni modelli sostitutivi sono bruciati mostrando un difetto simile alle versioni precedenti, tanto da portare alla sospensione della loro produzione. Secondo i media della Corea del Sud, dove ha sede la società, Samsung ha interrotto la produzione dei telefoni e non è chiaro come affronterà il problema nelle prossime settimane.

Smartphone e sicurezza
Il caso dei Galaxy Note 7 sta facendo molto discutere non solo perché Samsung è il più grande produttore di smartphone al mondo, ma anche perché ha messo per la prima volta al centro il tema della sicurezza di un oggetto che portiamo sempre con noi e dal quale raramente ci separiamo, perfino di notte quando lo teniamo sul comodino a ricaricarsi. Anche se Samsung non ha dato molti dettagli, sappiamo che i Galaxy Note 7 sono bruciati a causa della batteria, ed è proprio questo componente a essere in generale il più delicato e a rischio negli smartphone. Negli ultimi anni i produttori hanno lavorato molto per estendere il più possibile la durata delle batterie, una caratteristica molto richiesta dagli utenti, ma si stanno ormai avvicinando a limiti fisici oltre i quali è impossibile andare. A questi livelli, se qualcosa va storto, si possono verificare seri guai come quelli delle ultime settimane per Samsung.

Come funzionano le batterie agli ioni di litio
Per capire cosa rende una batteria più sicura di un’altra, bisogna farsi un’idea di come funzionano le batterie agli ioni di litio, più complesse delle classiche batterie che usiamo per esempio nel telecomando della TV. Semplificando moltissimo: al loro interno ci sono due conduttori elettrici (elettrodi) separati e opposti l’uno all’altro, uno ha carica positiva (catodo) e l’altro negativa (anodo). Gli ioni di litio se ne stanno tranquilli nel catodo, quando però viene applicata una carica alla batteria, gli ioni vengono spinti dal catodo verso l’anodo creando una differenza di potenziale. Quando la batteria è in uso, gli ioni di litio si spostano nuovamente verso il catodo, per riequilibrare la situazione. Questo spostamento deve però essere controllato, per evitare che gli ioni si spostino in massa causando un surriscaldamento anomalo e pericoloso della batteria.

Il traffico degli ioni viene regolato dai cosiddetti elettroliti, composti chimici che conducono la corrente e che facilitano il passaggio dell’energia. Inoltre, anodo e catodo non devono mai venire in contatto altrimenti si crea un cortocircuito che fa confluire gli ioni verso gli elettroliti, condizione che può portare a conseguenze imprevedibili. Stando a quanto aveva raccontato Samsung a settembre, il problema nei Galaxy Note 7 era proprio una separazione non efficace tra catodo e anodo nella batteria. Il fatto che però il problema si sia nuovamente presentato negli ultimi giorni con alcuni modelli sostituivi suggerisce che forse il problema con le batterie sia più articolato.

Cosa va storto nelle batterie
La sfida più grande per chi progetta le batterie è trovare la giusta combinazione di elettroliti per ridurre al minimo la loro instabilità. Il caldo è il loro principale nemico: un aumento della temperatura, indotto per esempio dal surriscaldarsi del processore del telefono, o semplicemente da una giornata molto calda, può fare reagire gli elettroliti con gli altri elementi chimici presenti nella batteria, portando alla creazione di gas che a loro volta contribuiscono a fare aumentare la pressione interna e a produrre ulteriore calore. Il processo avviene piuttosto rapidamente e innesca un circolo vizioso nel quale l’ulteriore calore porta a ulteriori reazioni che a loro volta scaldano di più la batteria e così via. Questo processo, che si chiama “runaway”, porta alla perdita dell’equilibrio e infine all’esplosione.

Ci sono diversi indizi sul fatto che le batterie dei Galaxy Note 7 difettosi soffrano di questo problema. Molte segnalazioni hanno infatti riguardato smartphone che non erano in carica, ma che erano stati semplicemente lasciati da qualche parte in casa o in tasca. Hanno iniziato a surriscaldarsi in modo anomalo emettendo fumo, mentre nei casi più gravi i gas accumulati all’interno della batteria hanno portato a una piccola esplosione, facendo poi incendiare i materiali che avevano intorno. Mashable ha fatto alcuni test e in effetti un telefono è esploso quando è stato scaldato davanti a una lampada.

Carica eccessiva
Ma le batterie possono causare problemi anche in altre circostanze, per esempio quando vengono caricate troppo. Con un’analogia efficace, Dan Steingart dell’Università di Princeton (Stati Uniti) ha spiegato a The Verge che le batterie si comportano come gli elastici: quando le carichi è come se li stessi tendendo il più possibile, ma se esageri accumulando troppa energia, arrivi a un punto di rottura. Naturalmente i cellulari, come gli altri dispositivi elettronici, hanno sensori e soluzioni per evitare che le batterie siano caricate più del dovuto: se lasci lo smartphone collegato alla corrente sul comodino mentre dormi, il dispositivo smette di caricarsi quando la batteria è piena proprio per evitare di romperla. È però sufficiente un difetto di fabbrica a questi sistemi, o alla batteria stessa che non riesce a segnalare quando è completamente carica, per portare il telefono a surriscaldarsi.

Le batterie sono anche suscettibili a cicli di carica troppo veloci, cioè a sistemi per fare passare più velocemente gli ioni di litio da un elettrodo all’altro. A velocità normale, gli ioni hanno il tempo di trovare il loro posto mentre passano da catodo ad anodo e di disporsi secondo un certo ordine. Se si accelera il processo il traffico diventa più caotico e gli ioni finiscono per stratificarsi gli uni sugli altri, creando strutture ramificate (dendriti) simili alle felci, che possono causare cortocircuiti all’interno della batteria. Per questo motivo molti dispositivi segnalano messaggi di errore quando si prova a fare una ricarica con un caricatore che non è compatibile, cercando in questo modo di ridurre al minimo i rischi e di non compromettere la stabilità delle batterie.

Precedenti
La tecnologia agli ioni di litio per le batterie è utilizzata ormai da decenni e in passato ha portato a diverse altre crisi legate alla loro sicurezza. Nella maggior parte dei casi le aziende che sviluppano e producono le batterie non sono le stesse che progettano e realizzano i dispositivi, quindi le prime si devono adattare alle richieste delle seconde. Verso la fine degli anni Novanta, i produttori di computer portatili iniziarono per esempio a usare processori più veloci, ma che richiedevano più energia per funzionare e che si scaldavano di più. Non potendo costruire batterie più grandi, per i limiti delle dimensioni dei computer imposti dai produttori, chi progettava batterie si limitò a ridurre le dimensioni dei separatori tra anodi e catodi, con una corsa a fare batterie sempre più capienti e piccole in un settore dove la concorrenza è già di suo piuttosto alta. Andò a finire nel peggiore dei modi possibili: nel 2006 Sony, all’epoca uno dei più grandi produttori al mondo di batterie, fu costretta a richiamarne circa 9,6 milioni in seguito a numerose segnalazioni di malfunzionamenti.

La crisi delle batterie del 2006 contribuì a rendere più severi i controlli da parte delle aziende su questi componenti, ma portò anche a una maggiore sensibilità da parte degli organismi di controllo governativi che imposero maggiori restrizioni e test più accurati sulla sicurezza delle batterie nei dispositivi elettronici. Il problema è che la continua ricerca di batterie che durino più a lungo e siano più potenti sta nuovamente mettendo a rischio la loro affidabilità, e nel breve-medio periodo non s’intravedono nuove soluzioni tecnologiche per superare l’attuale sistema basato sugli ioni di litio. Il tema diventerà sempre più importante e centrale nelle nostre società, soprattutto in vista del passaggio verso le automobili elettriche che si basano su questo tipo di tecnologia. In passato ci sono stati seri problemi con le batterie per i sistemi di bordo dei Boeing 787 Dreamliner, per esempio, e con le soluzioni inizialmente adottate da Tesla per le sue automobili elettriche, ora risolti grazie a importanti progressi nel sistema di gestione delle loro batterie.