Gli accumulatori al Litio

Le batterie al litio stanno avendo una sempre maggior diffusione questo fa pensare che a breve sostituiranno totalmente le ormai consolidate batterie al Ni-Mh; attualmente nel mercato se ne possono trovare di due tipologie quelle agli ioni di litio (Li-Ion) o quelle al litio-polimero (Li-Poly). Questo trend è giustificato dalle caratteristiche che le rendono notevolmente più efficienti nell’impiego in dispositivi portatili quali notebook, macchine fotografiche, cellulari, ecc. I loro punti di forza sono:

1) possono essere costruite con una vasta gamma di forme, questo consente di riempire efficientemente gli spazi nei dispositivi che le utilizzano

2) hanno peso minore rispetto a quelle al Ni-Mh perché presentano una densità di carica più elevata

3) non risentono dell’effetto memoria che limitava drasticamente la durata nelle batterie al Ni-Mh

4) presentano una auto-scarica approssimativamente del 5% mensile, contro all'oltre 20% mensile delle Ni-Mh.

In contropartita presentano delle problematiche legate alla gestione della carica durante la ricarica e al monitoraggio durante l’utilizzo.

Il problema, maggiore nelle pile a ioni di litio, è legato al rischio di esplosione dell’elemento in caso di sovratensione durante la carica. Per garantire un buon grado di sicurezza nell’elemento sono previsti sistemi di

protezione integrati che lo rendono inutilizzabile irreversibilmente in caso di malfunzionamento. I sistemi di controllo usati sono: un separatore di spegnimento in caso di surriscaldamento, uno sfiato per il rilascio dei gas per il controllo della pressione interna e un interruttore termico per il controllo di sovraccarico e sovralimentazione. Tali sistemi di

protezione riducono lo spazio utile all'interno dell’elemento ed aggiungono un ulteriore stato di inaffidabilità. Il rischio di esplosione è ridotto se si impiegano pile a litio-

polimero questo perché l’eletrolita in sale di litio è contenuto in un composto di polimero solido non infiammabile (a differenza del solvente organico utilizzato nelle cellule a Li-Ion); dunque queste batterie risultano meno pericolose in caso di

danneggiamento dell’involucro. Inoltre, visto l’utilizzo del polimero, anche l’impacchettamento delle

celle risulta diverso, a differenza delle celle in litio- ione contenute in minuscoli contenitori rigidi in metallo cilindrici, o prismatici, le celle polimeriche hanno una struttura a fogli flessibili. In questo modo il contenitore non serve che sia rigido, come nelle Li-Ion dove deve pressare gli elettrodi ed il separatore, in quanto i "fogli" di elettrodo ed i "fogli" del

separatore (dielettrico) sono laminati ciascuno sull'altro.

Dal momento che non è necessario nessun tipo di contenitore in metallo, la batteria risulta più leggera e sagomabile per lo spazio dell'apparecchio da alimentare. L’assenza del contenitore metallico e la struttura a “fogli” consentono anche un impacchettamento più denso eliminando gli spazi vuoti presenti tra le celle cilindriche, la densità

energetica delle batterie Li-Poly risulta quindi maggiore del 20% rispetto a quella di una pila Li-Ion.

7.2.1 Scarica e ricarica di un elemento

La gestione della scarica e ricarica delle pile al litio risulta più complessa rispetto a quella delle batterie al Ni/Mh per questo motivo è necessario approfondire

maggiormente questi aspetti.

• Scarica di un elemento

La difficoltà nel monitoraggio del livello di scarica delle pile al litio dipende dal fatto che la tensione dell’elemento rimane pressoché costante fino a quando la batteria non ha esaurito la propria carica per poi calare bruscamente (vedi figura 90).

Questo fatto fa capire come non sia possibile dedurre la carica rimanente soltanto monitorando la tensione

della cella ma come sia necessario valutare la carica effettiva integrando la corrente che scorre per un certo periodo.

Fortunatamente tutte queste misure sono gestite direttamente da integrati concepiti

appositamente per svolgere questo compito come spiegato nel paragrafo.

• Carica di un elemento

Anche per la fase di carica, rispetto a quelle al Ni/Mh , le batterie al litio richiedono maggiori attenzioni; è possibile ricaricarle in due modi:

- “Linear charge mode”

questo metodo di ricarica è impiegato se la tensione fornita per la ricarica risulta più elevata rispetto a quella della cella da ricaricare.

- “Quasi-Pulse charter mode”

Questa modalità di ricarica prevede tensioni di alimentazione minori rispetto a quella della batteria; la carica avviene, rispetto al linear charge mode, con un enorme risparmio si energia in contropartita si deve provvedere ad un controllo della corrente per evitare che danneggi la cella.

Per il nostro progetto si prenderà in esame solamente la modalità “Linear charge mode” questo perché l’alimentazione per la ricarica è prevista da rete domestica quindi

la tensione a cui si può far riferimento è sicuramente superiore a quella della cella da ricaricare.

Linear charge mode

In questo modo si possono si possono distinguere tre fasi di ricarica come mostrato in figura 92:

1) Precarica a corrente costante, in questa fase (attiva quando la batteria profondamente è scaricata) la batteria è caricata di un a corrente debole. 2) Carica veloce a corrente costante, in

questa fase il dispositivo carica la batteria con la corrente massima erogabile a valore costante fino quando la tensione della cella non raggiunge il valore nominale.

3) Tensione costante, quando la tensione è arrivata al valore nominale si fa decrescere la corrente fino al termine della carica.

Figura 92 Andamento delle grandezze caratteristiche.

Come detto in precedenza utilizzando questo tipo di ricarica si ha una notevole dissipazione di potenza, l’andamento della potenza dissipata è mostrato in figura.

Come si vede in figura la massima dissipazione di potenza si ha durante la fase di carica veloce, in questo tratto infatti si ha la massima differenza tra la tensione applicata e quella della cella e la corrente di carica fornita alla batteria è al suo valore massimo.

La potenza dissipata è data dalla seguente formula: [7.6]

Come si vede dalla formula più alta è la tensione fornita dall’alimentazione maggiore è la potenza dissipata