Fonte: Articolo in esclusiova per Cq Elettronica – IW2BSF Parisio © 2008
Tutto sulle batterie al litio.
IW2BSF – Rodolfo Parisio
Un semplice ma esaustivo articolo su tutto quello che volevate sapere Su queste batterie compresi anche qualche piccoli consigli e segreti.
Caratteristiche tecniche di questa tecnologia:
- Ogni singolo elemento o cella ha una tensione di 3,6 Volt rispetto ai 1,2 Volt delle ni-cd o ni-mh o 2 Volt delle piombo o gel.
- Maggiore capacita' in corrente a parita' di dimensioni con gli altri tipi.
- Effetto memoria assente (come per le ni-mh).
- Delicati nelle sovraccariche (non consigliabili in apparecchiature
di emergenza o in tampone,meglio usare le pile tradizionali). - Autoscarica trascurabile circa 1% al mese.
Il litio e' un metallo pericoloso quindi i vari contenitori sono dispo-
nibili solo in contenitori "sigillati". Anch'esso come i suoi stret-
ti parenti reagisce con acqua formando idrogeno, che come credo tutti sappiano e' infiammabile! E quindi non e' possibile usare soluzioni chimiche in acqua per elettrolita del elemento. Risulta incredibile
che in un elemento al litio si possa ottenere tensione tripla rispet-
to a un elemento singolo al ni-cd o ni-mh ma capacita' in corrente ris- pettivamente quasi doppia o quadrupla nel secondo caso. Incredibile pure in fatto che autoscarica sia di solo 1% al mese rispetto al 1%
al giorno per una ni-cd!
Classica batteria Litio-ION dei cellulari
MANUTENZIONE E RICARICA OTTIMALE.
Cosa importante e' dopo una ricarica NON mantenere una carica di man-
tenimento,oltre a rappresentare un pericolo non sarebbe di alcuna uti- lita' visto come menzionato prima autoscarica di "solo" 1% al mese. Importante nella ricarica delle batterie al Litio-Ion o polimeri sareb-
be sapere la composizione chimica delle stesse, e' infatti basilare se non fondamentale nella corretta ricarica e eventuale durata nel tempo (vedi cicli utili di vita). E' la piastra negativa che puo' presentare
vari costituzioni chimiche, spesso e' costituita da litio metallico me scolato a carbonio, ma ultimante per stabilizzare meglio il funzionamen- to vengono usati ossidi di litio e cobalto o fosfato di litio o pergan- ganato di litio o con pellicole su catodo ottenuto con vapori per at- trazione elettrostatica o con materiale partendo dal plasma.
la resistenza interna e' molto bassa, quindi si produce nella ricarica poco calore e il relativo processo di ricarica e' molto efficente dal punto di vista energetico.
Come menzionato sopra soffrendo molto per la sovraccarica, specie nella ricarica di piu' elementi occore fare in modo che non vi siano differen
ze anche minime di tensione per singolo elemento. Ideale quindi come av rete capito e' usare o costruire un caricatore per ogni singolo elemen-
to! Ideale e molto economico e' il MAX712 della Maxim che ricarica per fettamente controllando sia in tensione che in corrente le stesse ed e' possibile pure selezionare (ove si sappia) il tipo di materiale utiliz
zato nel catodo delle stesse, e il tutto con pochissimi componenti est erni, una manna per noi costruttori ma anche per i neofiti.
Va' quindi ricordato che per avere sempre elementi in stato ottimale e con lunghe durate, che:
- La tensione di fine carica si attesta sui 4,25 Volt (che varia a seconda come abbiamo visto della chimica delle stesse!).
- La tensione di scarica sui 3,5 Volt massimo 2,75 Volt, anche in questo caso NON arrivate alla scarica totale cioe' a 0 Volt !!!
Magari usate dei limitatori di sovratensione con PTC o fusibili
elettronici tarati a 4,3 Volt, ricordando che superati i suddet- ti limiti potrebbero non solo guastarsi in modo irreversibile ma anche INCENDIARSI o peggio ESPLODERE !
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Per caricarle in sicurezza bisogna avere le istruzioni del costrut- tore,procurarsi cioe` i data sheets come se fossero circuiti cir- cuiti integrati. Oggi tramite Internet e` spesso possibile ottenere letteratura tecnica senza troppa fatica, ma bisogna identificare
il costruttore ed il modello. Per quanto riguarda i telefoni cellulari,la carica avviene in modo brutale ed a corrente non costante, ma il circuito del telefono, o meglio il microprocessore che controlla il te lefono, controlla durante la carica la tensione ai capi della batteria; in questo modo avverte tramite il display che la batteria e` scarica, e, durante la carica, impedisce il superamento della soglia di fine ca rica.
Vediamo innanzitutto di sfatare alcuni luoghi comuni o leggende createsi su queste batterie utilizzate ormai ovunque dalle video o fotocamere, ai vari utensili tipo trapani o avvitatori fino ai nostri ormai omnipresenti te- lefoni cellulari ai nostri ricetrasmettitori portatili:
- Ricarica la batteria per almeno 14 - 18 ore!
- Al termine della ricarica stacca il caricabatteria dal caricatore o dal cellulare e poi ricollegalo per altre 14 ore!
- Utilizza un caricabatteria lento anzichè quello originale in dotazione, più veloce!
E cosi via.......
Queste teorie sono obsolete e servono quando ci troviamo di
fronte a batterie di bassa qualità.... in questi casi una "strapazzata" iniziale le da vigore ma presto evidenzierà i suoi limiti! Famosi sono gli spegnimenti con 2 tacche.... dei cellulari tanto per dirne una!
La ricarica della batteria rappresenta uno dei momenti più importanti.... i progettisti prestano particolare attenzione a questa fase in quanto sono consapevoli che la corretta ottimizzazione di questa fase può conferire maggiore performance al apparecchiatura. Del resto sarebbe assurdo investire in tecnologie capaci di
rendere apparato meno avido di corrente e poi non prestare attenzione alla ricerca del miglior modo di ricaricare la batteria e quindi al miglior modo di fruttarla.
Per ottimizzare i cicli di ricarica è necessario far capire al apparato che tipo di batteria viene utilizzata, per questo motivo ogni
batteria in commercio è equipaggiata, (al suo interno),
di un chip identificativo (il classico 3 polo dei pacchi pile!). Quando colleghiamo caricabatteria al apparato l'elettronica di controllo del cellulare riconosce il codice della batteria, saprà quindi come caricarla! Ecco perche’ a volte con le batterie NON originali o si caricano male o durano poco,non sono ottimizzate per la carica che necessitano!
Chip dentro il pacco batteria litio
Quasi tutti i pacchi batteria contengono un termistore, il cui valore resistivo, dipendente dalla temperatura raggiunta dalla batteria, viene anch' esso controllato dal processore in modo da impedire un sovrariscaldamento. La presenza del termistore spiega il fatto che i terminali della batteria sono sempre almeno tre.
Alcune apparecchiature hanno pacchi batteria che contengono addirittura un circuito integrato specializzato che dialoga con il processore (serve anche ad impedire clonazioni della batteria).
La regolazione viene quindi effettuata dal apparato o dal cellulare e non dal caricatore esterno che in molti casi e` semplicemente un trasformatore+raddrizzatore+condensatore. Infatti sul connettore per i collegamenti esterni c' e` un piedino per il caricabatteria, che non e` collegato direttamente alla batteria stessa.
Come caricarla? Certamente... oggi le batterie non si caricano più con una semplice corrente costante. Si utilizza una tecnica collaudata che prevede di fornire corrente alla batteria per un determinato tempo delta T (esempio 0,5 secondi), per poi interromperla per 3 secondi, per poi ricollegarla per altri 0,5 secondi ecc. ecc! La famosa carica a impulsi.
I produttori di batterie al litio adottano quindi procedure di ricarica rigorose ed equipaggiano le loro batterie con chip di controllo per salvaguardare la batteria stessa. Chi ha la possibilità di monitorare i livelli di tensione sa che non leggerà mai una tensione superiore a 4,1 Volt.
Questo limite è imposto dal produttore in quanto la soglia critica delle celle è di 4,2 Volt con tolleranza di +/- 0,05%. Il
superamento di questa soglia produce un abbassamento della
vita media della batteria, ovvero diminuzione drastica dei cicli di ricarica. Il superamento dei 4,3 Volt provoca l'innesco di processi chimici dannosi. Sull'anodo si depositano placche di litio ed il
catodo comincia ad ossidarsi, perde stabilità e libera ossigeno. In questo caso assistiamo ad un aumento della temperatura e della pressione interna.
Il chip interno assolve a molti compiti:
- blocca il limite massimo a 4,3 Volt, circa 0,10 Volt più alto della soglia di tensione del caricabatteria.
- disconnette la batteria se raggiunge una temperatura di circa 90 gradi.
- blocca la corrente di carica, tramite un interruttore meccanico, se la pressione supera certi limiti.
