Eccoci ad un nuovo articolo della serie Electrical Energy Storage. Nei precedenti sono state affrontate le tematiche di gestione della carica dei superCap e delle batterie NiCd/NiMH (li avete letti?!). In entrambi i casi è stata affrontata la parte teorica delle tecnologie, i principi base del Power Management e diversi circuiti integrati disponibili in commercio per eseguire le funzioni di gestione della carica. In questo articolo, invece, voglio iniziare un approfondimento della tecnologia che più largamente si è diffusa nel settore dei dispositivi portatili, ossia le batterie a ioni di Litio (Li-Ion). In particolare affronteremo una descrizione del principio di funzionamento e alcuni aspetti chiave che hanno motivato i progettisti a preferire questa soluzione nella stragrande maggioranza delle applicazioni odierne.
Nell’elettronica di consumo il sistema di accumulo più utilizzato, e che di fatto ha sostituito le batterie NiCd/NiMH, è l’accumulatore basato su una tecnologia detta “agli ioni di Litio” e successive ottimizzazioni. Prima di capire come gestirle proviamo a capire cosa abbiamo tra le mani. L’elemento principale di questa tecnologia è di certo il Litio, un metallo alcalino con la fondamentale caratteristica di essere il più leggero elemento solido della tavola periodica (Figura 1). La sua applicazione all’interno delle batterie non è dovuta solo alla sua leggerezza, ma anche ad un maggior potenziale elettrochimico rispetto alle altre tecnologie (una cella è di circa 3.6V ma approfondiremo questo aspetto in seguito), e ovviamente a una maggiore energia specifica (per dare dei numeri è circa il doppio di una batteria NiCd). Tali caratteristiche saranno approfondite nel seguito di questo articolo.
Figura 1. Caratteristiche del Litio
Principio di Funzionamento
La struttura principale della singola cella è realizzata tramite due elettrodi (anodo e catodo) e un elettrolita posto nel mezzo che si comporta da conduttore delle cariche (Figura 2). Il catodo viene realizzato in ossido di metallo (in questo caso il metallo adoperato è il Litio) mentre l’anodo è in genere un materiale poroso in carbonio. Durante il processo di scarica si ha un flusso di ioni (ovviamente ioni di Litio da cui il nome alla tecnologia Li-Ion) che, all'interno della cella, si spostano dall'anodo verso il catodo. Il processo di carica invece è caratterizzato da un flusso opposto degli ioni. Per garantire il corretto comportamento della batteria è necessario infine un elemento separatore posto nell’elettrolita. In figura 2 viene schematizzato tale flusso di cariche che si muovono da un polo all’altro nelle fasi di carica e scarica.
Figura 2. Struttura di una cella a Litio
Caratteristiche Operative: vantaggi e svantaggi
Le batterie Li-ion devono il loro successo principalmente a due caratteristiche: l’assenza dell’effetto fantasma e il basso livello di autoscarica. Quest'ultima necessita di un ulteriore approfondimento, infatti, la tecnologia garantisce una bassa autoscarica (circa il 5% al mese) ma, l'esigenza di monitorare continuamente lo stato della batteria ha spinto verso l’integrazione di circuiti di sensing nella batteria stessa che di fatto aumentano l’autoscarica quando il sistema di accumulo viene disconnesso.
La tensione di una batteria basata sul litio è tipicamente di circa 3.6÷3.7V. In realtà durante la carica può superare il valore nominale ed arrivare anche a tensioni di 4.2V, mentre una batteria è ritenuta scarica se si trova al di sotto dei [...]
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Ciao,
serie di articoli che ho scoperto ora (e che andrò a leggere in sequenza) che sono una miniera di informazioni utilissime. Complimenti.
Per quanto riguarda le Li-Po (usate di frequente nel modellismo rc) in realtà si parla di durate inferiori rispetto alle metal hidrato (tipo 400 cicli versus circa 1000). Mi sembra invece di capire che in realtà è il contrario a quanto leggo, è corretto?