Pubblichiamo la quarta parte di un guest post di Ray_of_light
Dopo aver analizzato le batterie primarie (qui e qui) ed aver introdotto il tema delle batterie sigillate, ci rimane da analizzare, in questa categoria di accumulatori, quelli Li-Ion.
Le batterie Li-Ion vengono utilizzate nei computer perché sono quelle che hanno la maggior densità di energia tra le batterie disponibili. Hanno una buona vita media, circa 500 cicli di carica e scarica, on’ottima ritenzione della carica, e un buon comportamento rispetto alla temperatura. Inoltre, si conservano funzionali per almeno tre anni se conservate opportunamente. Il funzionamento di queste batterie è fra gli più studiati al mondo visto che tutti, dai produttori di computer a quelli di automobili cercano di migliorare la tecnologia.
La batteria agli ioni di litio è composta da un elettrodo positivo fatto di ossido di litio cobalto (LiCoO2), un elettrolita organico, e un polo negativo costruito con grafite cristallizzata in modo particolare.
In questa batteria la struttura cristallina tridimensionale assume un ruolo fondamentale. La molecola di LiCoO2 è una lunga struttura tridimensionale in cui si alternano gli strati di Litio e di Ossigeno – Cobalto. La struttura di grafite è costituita di gruppi di atomi di carbonio; la grafite viene anche utilizzata come lubrificante, in quanto questi “strati” di atomi hanno la capacità di scivolare meccanicamente uno sull’altro con una grande facilità.
Durante la fase di carica, gli ioni di Litio lasciano la molecola di LiCoO2 e si inseriscono nella struttura di grafite. Durante la scarica, gli ioni di Litio lasciano la struttura cristallina della grafite e ritornano al loro posto nelle molecole di LiCoO2.
Nello svolgersi dei cicli di carica e scarica, la struttura cristallina di LiCoO2 si degrada, e sono sempre meno i posti fissi disponibili per gli ioni Litio, e la capacità della batteria diminuisce. Un accorgimento adottato è quello di caricare o scaricare la batteria non oltre certi limiti. Una cella da 2000 mAh ha la capacità potenziale di essere caricata a 3000 o anche 4000 mAh, però questo provoca il collasso della struttura di LiCo02, e la batteria diventa praticamente una costosa cella monouso.
La carica ottimale si ottiene quando la tensione ai suoi capi raggiunge 4,2 Volt a 20 celsius. Alcune applicazioni caricano le batterie a 4,1 V, che garantisce il 70 percento della capacità nominale, ma raddoppia la durata in termini di cicli. In generale, si tratta di una scelta progettuale dei produttori di computer.
Allo stesso modo, una scarica eccessiva, al di sotto di 3 Volt, può provocare un collasso della struttura cristallina della grafite, rendendo la batteria inutilizzabile.
I sistemi di carica e scarica delle batterie agli ioni di litio fanno in modo che le singole celle operino in una finestra di carica. Più larga è questa finestra, minore è la durata della batteria. Inoltre, la temperatura gioca un ruolo fondamentale nella vita della batteria; ogni indebito innalzamento provoca la degradazione delle strutture cristalline.
La più semplice batteria agli ioni di litio è quella che si può trovare in un telefono cellulare economico. Essa comprende una cella piatta Li-Ion, e un circuito elettronico costruito con un micro controller dedicato e degli interruttori bidirezionali a MOSFET. Questo circuito garantisce che non ci siano sovracorrenti di carica o di scarica, o che la tensione possa scendere sotto i 3 Volt durante la scarica, o superare i 4,2 Volt durante la carica. Normalmente, nel telefono esiste un circuito addizionale per controllare la carica e la scarica. Alcune batterie, (una per tutte, le Sony-Ericsson) contengono dei micro controller avanzati con del firmware che autentica la batteria verso il telefono e viceversa.
Per quanto riguarda i computer portatili, le batterie contengono oltre al circuito basilare di protezione descritto sopra, un vero e proprio micro controller dedicato che tiene conto dei cicli di carica e scarica, misura la capacità di ogni singola cella durante ogni ciclo, misura il consumo attuale, e contiene delle tavole in cui vengono conservati tutti questi valori.
La batteria, oltre i poli di alimentazione e per l’allarme termico, contiene due poli per la connessioni dati, che avviene su un bus seriale dedicato. Il computer, sulla base di questi dati, riesce a fare delle stime di durata della batteria, e andare in ibernazione quando la carica diventa minima.
Alcuni costruttori (Toshiba) disabilitano la batteria dopo 500 cicli, anche se tutti gli elementi sono ancora buoni. Altri costruttori (Sony) implementano un circuito di autenticazione tra la batteria e il computer, in modo tale che il BIOS possa riconoscere, e disabilitare, le batterie non originali.
Sostituire gli elementi difettosi in una batteria non ne ripristina la capacità originale, se non si resettano le tavole con i consumi e le capacità residue. Esistono dei software specializzati che possono scrivere sul bus e cambiare le tavole, che sono conservate in una memoria flash. Tuttavia alcuni micro controller (prodotti dalla Texas) sono protetti contro questa operazione.
Il circuito del micro controller consuma energia anche quando la batteria non è utilizzata. Le batterie per computer vanno ricaricate ogni tre o quattro mesi per ovviare a questo problema.
La chimica delle batterie Li-Ion può essere replicata con differenti tecnologie. Quando gli elementi chimici attivi vengono distribuiti su una matrice polimerica sottile, si ottengono le batterie Li-Po, o Litio – Polimeri. Queste batterie hanno il vantaggio di essere sottilissime e di poter erogare correnti maggiori, ed essere ricaricate più velocemente. Per contro, se caricate e scaricate velocemente, la loro vita si accorcia notevolmente. Esse sono utilizzate nel modellismo, dove hanno una vita media di cinquanta cicli o meno. Nei computer e nei telefoni cellulari non ci si avvantaggia della possibilità di carica o scarica veloce, ma solo della loro dimensione sottile, per cui la loro vita è la stessa delle batterie Li-Ion tradizionali.
Nel prossimo appuntamento termineremo questa serie di approfondimenti con un pezzo sulle batterie ricaricabili di tipo “flooded”, ossia non sigillate.
