L'elemento chiave della mobilità dei dispositivi elettronici è la batteria ricaricabile (batteria). Le crescenti richieste di assicurare la più lunga autonomia possibile stanno guidando la ricerca continua in questo campo e portano a nuove soluzioni tecnologiche.
È stata introdotta un'alternativa alle batterie Ni-Cd e Ni-MH, ampiamente utilizzate, prima le batterie al litio e poi le più avanzate batterie agli ioni di litio.
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Storia
Le prime batterie di questo tipo sono nate negli anni '70. Sono stati immediatamente richiesti a causa delle loro migliori prestazioni. L'anodo della cella era fatto del metallo litio, le cui proprietà hanno permesso di aumentare la densità di energia. In questo modo sono state sviluppate le batterie al litio.
Le nuove batterie avevano un grande svantaggio: un maggiore rischio di esplosione e di accensione. La ragione era la formazione di un film di litio sulla superficie degli elettrodi, che portava all'instabilità della temperatura. Al massimo carico, la batteria potrebbe esplodere.
Un perfezionamento della tecnologia ha portato all'abbandono del litio puro nei componenti della batteria a favore dell'uso di ioni caricati positivamente. La batteria agli ioni di litio si è rivelata una soluzione di successo.
Questo tipo di batteria ha un margine di sicurezza maggiore a causa di una densità di energia leggermente inferiore, ma i progressi della tecnologia hanno permesso di ridurre al minimo lo svantaggio.
Il dispositivo
L'introduzione delle batterie agli ioni di litio nell'elettronica di consumo ha visto una svolta con lo sviluppo di una batteria con un catodo fatto di materiale di carbonio (grafite) e un anodo fatto di ossido di cobalto.
Il processo di scarica rimuove gli ioni di litio dal materiale catodico e li incorpora nell'ossido di cobalto dell'elettrodo opposto; durante la carica il processo procede nella direzione opposta. In questo modo, gli ioni di litio creano la corrente elettrica spostandosi da un elettrodo all'altro.
Le batterie Li-Ion sono prodotte in design cilindrico e prismatico. Nel design cilindrico, due nastri di elettrodi piatti separati da materiale impregnato di elettrolita sono arrotolati e posti in un involucro metallico sigillato. Il materiale catodico è applicato su un foglio di alluminio e il materiale anodico su un foglio di rame.
Il design prismatico della batteria è ottenuto impilando piastre rettangolari l'una sull'altra. Questa forma della batteria permette di rendere più denso il layout del dispositivo elettronico. Le batterie prismatiche sono anche disponibili con elettrodi avvolti a spirale.
Funzionamento e vita
Il funzionamento lungo, affidabile e sicuro delle batterie agli ioni di litio dipende dall'uso corretto, altrimenti non solo accorcia la durata della batteria ma può anche portare a conseguenze negative.
Operazione
Il requisito chiave per il funzionamento delle batterie Li-Ion è la temperatura - il surriscaldamento deve essere evitato. Le alte temperature possono causare il massimo danno, e il surriscaldamento può essere causato da una fonte esterna così come da pratiche stressanti di carica e scarica.
Per esempio, un riscaldamento fino a 45°C ridurrà la capacità della batteria di mantenere una carica fino a 2 volte. Questa temperatura può essere facilmente raggiunta esponendo il dispositivo al sole per lunghi periodi di tempo o eseguendo applicazioni ad alta intensità energetica.
Se il prodotto si surriscalda, si consiglia di metterlo in un luogo fresco, preferibilmente con la batteria spenta e rimossa.
Nel caldo dell'estate, la modalità di risparmio energetico della batteria, disponibile sulla maggior parte dei dispositivi mobili, dovrebbe essere usata per farla funzionare al meglio.
Le basse temperature hanno anche un effetto negativo sulle batterie Li-Ion, a temperature inferiori a -4°C la batteria non può più fornire la sua piena capacità.
Tuttavia, il freddo non è così dannoso per le batterie Li-Ion come le alte temperature e molto spesso non causa danni permanenti. Anche se la batteria recupererà completamente le sue prestazioni dopo il riscaldamento a temperatura ambiente, la perdita di capacità al freddo non deve essere dimenticata.
Un'altra regola generale per le batterie Li-Ion è quella di evitare la scarica profonda. Molte generazioni precedenti di batterie avevano un effetto memoria che richiedeva di scaricarle a zero e poi caricarle completamente. Le batterie Li-Ion non hanno questo effetto, con scariche complete occasionali che non hanno effetti negativi, ma le scariche profonde continue sono dannose. Si raccomanda di collegare il caricatore a un livello di carica del 30%.
Vita
L'uso scorretto delle batterie Li-Ion può ridurre la loro vita di un fattore da 10 a 12. Questo termine è direttamente legato al numero di cicli di carica. Si stima che le batterie Li-Ion possono essere utilizzate per tra 500 e 1000 cicli su uno stato completamente scarico. Una percentuale più alta di carica rimanente prima della carica successiva aumenterà significativamente la durata della batteria.
Poiché la durata di vita delle batterie Li-Ion è in gran parte determinata dalle condizioni operative, non è possibile dare un'aspettativa di vita esatta per queste batterie. In media, ci si può aspettare che una batteria di questo tipo duri 7-10 anni se si seguono le condizioni richieste.
Processo di ricarica
Evitare di inserire la batteria nel caricatore per un periodo di tempo eccessivo durante la ricarica. La batteria agli ioni di litio funziona normalmente con una tensione non superiore a 3,6 volt. I caricatori applicano 4,2V all'ingresso della batteria durante il processo di carica. Se il tempo di carica viene superato, nella batteria possono iniziare delle reazioni elettrochimiche indesiderate, che porteranno al surriscaldamento con tutte le conseguenze che ne derivano.
Gli sviluppatori hanno preso in considerazione questa caratteristica - la sicurezza della carica delle moderne batterie Li-Ion è controllata da uno speciale dispositivo incorporato che ferma il processo di carica se la tensione sale oltre il livello ammissibile.
Per le batterie al litio, un metodo di carica a due stadi è il modo corretto di caricarle. Il primo stadio è quello di caricare la batteria fornendo una corrente di carica costante, il secondo stadio è quello di fornire una tensione costante e ridurre gradualmente la corrente di carica. Questo algoritmo è implementato a livello hardware nella maggior parte dei caricabatterie domestici.
Stoccaggio e smaltimento
Una batteria agli ioni di litio può essere conservata a lungo, con un'autoscarica del 10-20% all'anno. Tuttavia le caratteristiche del prodotto (degradazione) si deteriorano gradualmente con il tempo.
La batteria deve essere conservata da +5°C a +25°C e protetta dall'umidità. Evitare forti vibrazioni, urti o il contatto con fiamme libere.
Il riciclaggio delle celle agli ioni di litio deve essere effettuato da impianti di riciclaggio adeguatamente autorizzati. Quasi l'80% dei materiali delle batterie riciclate può essere riutilizzato nella produzione di nuove batterie.
Sicurezza
Una batteria agli ioni di litio, anche nelle sue dimensioni miniaturizzate, comporta un rischio di auto-accensione esplosiva. La caratteristica speciale di questo tipo di batteria richiede precauzioni di sicurezza in tutte le fasi, dalla progettazione alla produzione e allo stoccaggio.
Per migliorare la sicurezza delle batterie Li-Ion, un piccolo circuito elettronico, un sistema di controllo e di gestione progettato per prevenire il sovraccarico e il surriscaldamento, è posto all'interno della batteria durante la fabbricazione. Il meccanismo elettronico aumenta la resistenza del circuito quando la temperatura sale oltre un limite predeterminato. Alcuni modelli di batteria hanno un interruttore meccanico incorporato che apre il circuito quando la pressione all'interno della batteria aumenta.
Gli alloggiamenti delle batterie sono anche spesso dotati di una valvola di sicurezza, che rilascia la pressione in caso di emergenza.
Pro e contro delle batterie al litio
I vantaggi di questo tipo di batteria sono:
- alta densità di energia;
- nessun effetto di memoria;
- lunga vita di servizio;
- basso tasso di autoscarica;
- nessuna manutenzione richiesta;
- nessuna necessità di manutenzione; nessuna necessità di manutenzione; nessuna necessità di manutenzione.
La batteria al litio ha anche degli svantaggi, come
- rischio di autocombustione;
- un costo più elevato rispetto ai suoi predecessori;
- la necessità di un controllore incorporato;
- indesiderabilità della scarica profonda.
La tecnologia delle batterie Li-Ion è in costante miglioramento, molti difetti stanno gradualmente diventando un ricordo del passato.
Applicazioni
L'alta densità di energia delle batterie agli ioni di litio determina il loro principale campo di applicazione - dispositivi elettronici mobili: computer portatili, tablet, smartphone, videocamere, fotocamere, sistemi di navigazione, vari sensori integrati e altri prodotti.
L'esistenza del fattore di forma cilindrico di queste batterie permette di utilizzarle in torce, telefoni fissi e altri dispositivi che prima consumavano energia da batterie usa e getta.
Il principio di costruzione delle batterie agli ioni di litio ha diverse varietà, i tipi si differenziano per il tipo di materiali utilizzati (litio-cobalto, litio-manganese, litio-nichel-manganese-cobalto-ossido, ecc.) Ognuno trova la sua applicazione.
Oltre all'elettronica mobile, il gruppo di batterie agli ioni di litio è utilizzato nelle seguenti applicazioni
- utensili elettrici portatili;
- attrezzature mediche portatili;
- gruppi di continuità;
- sistemi di sicurezza;
- moduli per l'illuminazione di emergenza;
- centrali solari;
- auto elettriche e biciclette elettriche.
Dati i costanti progressi nella tecnologia degli ioni di litio e il successo delle batterie ad alta capacità e di piccole dimensioni, possiamo anticipare che la gamma di applicazioni per tali batterie continuerà ad espandersi.
Etichettatura
Le batterie agli ioni di litio sono marcate sull'involucro esterno del prodotto e la codifica può variare notevolmente da una dimensione all'altra. Uno standard comune per tutti i produttori di batterie non è ancora stato sviluppato, ma è ancora possibile capire da soli i parametri più importanti.
Le lettere nella riga indicano il tipo di cella e i materiali utilizzati: la prima lettera I indica la tecnologia agli ioni di litio, la lettera successiva (C, M, F o N) specifica la composizione chimica, la terza lettera R significa che la cella è ricaricabile.
I numeri nella designazione delle dimensioni indicano le dimensioni della batteria in millimetri: i primi due numeri indicano il diametro e gli altri due la lunghezza. Per esempio, 18650 indica che il diametro è di 18 mm e la lunghezza di 65 mm, 0 indica il fattore di forma cilindrico.
Le ultime lettere e numeri della fila sono marcature di capacità specifiche del produttore. Non ci sono anche standard uniformi per indicare la data di fabbricazione.
