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 Inserito il - 23/11/2008 : 18:36:43
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SOMMARIO
Breve elenco introduttivo dei principali concetti ricorrenti nelle batterie ricaricabili.
Capacità dichiarata ed effetto Peukert
La Capacità è la quantità di energia immagazzinata nella batteria espressa normalmente in Ah - amperora - L'effetto Peukert è quello per cui una batteria scaricata con forti correnti, non riesce a fornire tutta la capacità dichiarata - Le batterie al piombo ne soffrono particolarmente, le Litio sono quelle che ne risentono di meno
Densità di energia
è il rapporto fra l'energia elettrica immagazzinabile e il peso ; normalmente espressa in Wh/kg - wattora al kilogrammo - ; le Piombo hanno un valore tipico di 40 Wh/kg ; le Litio, che sono le più performanti da questo punto di vista, 80 Wh/kg
Densità di potenza
è il rapporto fra la potenza massima che può erogare una certa batteria e il suo peso; il valore è fortemente influenzato dal tipo di costruzione ma la chimica più adatta ad elevare questa caratteristica, prima dell'avvento del LiFePO4, era ancora il NiCd
Durata di vita
esprime quanti cicli di carica-scarica può sopportare una batteria prima di ridurre la sua capacità ad una certa percentuale, tipicamente l'80% ; cioè se la sua capacità era 10Ah si contano i cicli di carica-scarica fino a quando la capacità è scesa a 8Ah; dalle Piombo ci si possono aspettare 200 cicli, dalle NiMH 300 e dalle Litio 400-500 ma questo valore sta crescendo velocemente nelle batterie di nuova generazione
Ciclicita'
Riferita ad una batteria, e' il grado di scarica che la batteria puo' subire. Viene espressa con un valore percentuale compreso in genere tra 20 e 100%.
Tempo di ricarica
è la capacità di sopportare cariche più o meno rapide; generalmente 6-8 ore del piombo, 2-3 ore per il Litio a poche decine di minuti di alcune Litio che però non sono ancora utilizzate sulle bici elettriche
Cella
Viene indicato con cella l'unita' costitutiva minima di una batteria, talora indicandone la minima parte sostituibile. Il tipo della celle di una batteria e' sempre omogeneo e conferisce quel medesimo tipo alla batteria costruita da quelle celle. Es. una batteria LiFePO4 corrisponde ad una batteria di celle tutte delle medesime qualita' di chimica e variante costruttiva di LiFePO4. Un possibile sinonimo del termine cella puo' essere 'pila', anche se la specificita' del termine 'cella' assicura contro l'equivoco di contesto al quale il termine 'pila' puo' comunemente condurre.
Velocità di scarica
esprime qual è la corrente massima che una batteria può erogare senza danneggiarsi; le più performanti da questo punto di vista sono le Ni-Cd; si esprime in multipli della capacità nominale; cioè 1C 3C 10C
Resistenza interna
è un parametro interno della batteria ed è in relazione, grossolanamente, a quanto cala la tensione della batteria al crescere della corrente ; una batteria con elevata resistenza interna si dice che si "siede" quando le si chiede molta corrente
Effetto memoria
è un effetto riscontrabile solo nelle batterie NiCd e consiste nella diminuzione della capacità reale se la batteria non viene portata a scarica completa; le Piombo, NiMH e Litio ne sono completamente assenti
Autoscarica
esprime in quanto tempo una batteria lasciata inutilizzata perde la sua carica; Le NiMH sono quelle che ne soffrono di più e in circa 20-30 giorni sono praticamente scariche; le Piombo si scaricano del tutto in 3-9 mesi e le litio in tempi leggermente più lunghi
Costo
le più economiche sono le Piombo, seguite dalle NiMH e poi dalle Litio
Quale tipo di batteria ?
--- Piombo
--- NiCd
--- NiMH
--- Litio
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INTRODUZIONE
L'importanza rivestita dalle batterie utilizzate nelle bici elettriche e, piu' in generale, in qualunque veicolo a trazione elettrica, risiede nella differenza esistente tra un motore elettrico e un motore convenzionale termico. Mentre quest'ultimo funziona utilizzando energia in forma di calore prodotta al momento, il motore elettrico si affida ad elettricita' generata precedentemente e immagazzinata nella batteria tramite una serie di processi chimici. Se la reazione diretta genera corrente, quella invertita la accumula, ricevendola dall'esterno con la ricarica.
La conservazione di elettricita' in tale apposito "serbatoio" chimico e' un artificio che pone una serie di impegnative problematiche scientifiche e tecnologiche tuttora rappresentanti uno dei campi piu' strategici della ricerca industriale, civile e militare. L'argomento puo' essere schematizzato nel presente scritto con la descrizione riguardante le generalita', seguita dalla identificazione delle principali caratteristiche e proprieta' riconoscibili in ogni batteria, infine, dall'elenco delle piu' ricorrenti tipologie. Alla fine verra' anche accennato al problema dello smaltimento
GENERALITA'
Cercando batterie, se ne possono trovare di tipo primario o secondario. Le primarie non sono ricaricabili, perche' impossibilitate ad invertire la propria reazione chimica, se non in minima parte, e quindi da utilizzare una volta sola. Esistono in realtà' delle primarie ricaricabili che non sono diffusissime , le cosiddette tipo Alcava derivanti il nome dalla marca costruttrice, particolari soprattutto per avere un potenziale leggermente superiore a quello tipico di 1,2 (1,5V) ma rendiconti su di esse, da parte dagli stessi fornitori, non sono stati sempre entusiasmanti. In realtà' le batterie che ci interessano veramente sono quelle definite secondarie , cioe' quelle quelle ricaricabili in senso proprio.
Come in ogni processo reale, anche nelle batterie ricaricabili il processo di ricarica non e' perfetto ed occorre sempre fornire un po' di energia' in piu' di quella che si riottiene durante l'uso. Questa maggiore spesa, normalmente valutabile tra il 10 e il 20%, si manifesta principalmente nel calore che la ricarica genera. La procedura e l'efficienza della ricarica e' sempre specifica del tipo di batteria ma la produzione di un certo calore e' normale per tutte. E' molto importante tenere presente che la ricarica e' una operazione che, a tutti gli effetti impegna la batteria come se fosse in scarica, e quindi la procedura deve essere sempre seguita correttamente con delle importanti avvertenze generali comuni a tutti i tipi di accumulatore. Il calore viene generato in proporzione alla velocita' di ricarica o di scarica, ed alcune batterie possono scaldare fino ad incendiarsi se ricaricate con eccessiva corrente. Per dare un'idea, la batteria non deve normalmente scaldare oltre i 30-35 gradi se in ricarica, comunemente qualcosa di piu' se in scarica, ma sempre in modo che permetta approssimativamente il contatto della mano.
Anche, per il fatto ulteriore che le reazioni chimiche all'interno di alcune batterie generano dei vapori non appropriati per un ambiente chiuso, una regola aurea per la ricarica di un accumulatore e' che non si debba mai ricaricare senza la sorveglianza di una persona, situata in contatto dell'area di svolgimento almeno per avvertire eventuali manifestazioni di potenziale pericolo.
Quando si parla di batterie, ci si riferisce ad un insieme di pile elementari generatrici connesse in vario modo. Un sinonimo molto usato di pila e' 'cella', specie se in riferimento a pacchi accumulatori. Ogni cella rappresenta dunque l'elemento costitutivo piu' piccolo riconoscibile in una batteria,. Esiste un tipo di cella per ogni possibile composizione chimica che la costituisce, per cui parleremo in linea di massima di celle al Piombo, al Nichel, al Litio e delle rispettive sottofamiglie chimiche.
PROPRIETA' E CARATTERISTICHE
Le caratteristiche che possono essere esaminate in una batteria sono le seguenti. Si tenga presente che in nessun caso tali caratteristiche sono esprimibili al meglio contemporaneamente, per cui scegliere una certa batteria, invece di un'altra, significa implicitamente rinunciare a qualcosa.
Capacita' dichiarata ed effetto Peukert
Quando una batteria si puo' dire che funzioni bene? Sicuramente quando si riesce ad ottenerne tutta la corrente promessa nel tempo utile, ovvero quando la batteria restituisce corrente in misura pari alla sua capacita' dichiarata. Sorprendentemente, pero', nessuna batteria rispetta il valore dichiarato, per un motivo che e' utile spiegare con un paragone. A tale scopo, considerate un atleta o anche una semplice persona che voglia fare una corsa podistica. A seconda della lunghezza del percorso, il corridore scegliera' un ritmo di corsa adeguato: per i cento metri, correra' sicuramente a perdifiato; per i 10000 o la maratona, si regolera' nel ritmo piu' saggiamente, per non rimanere senza fiato dopo i primi 500 metri. Alla fine, infatti, quello che maggiormente importa e' che tutta la distanza venga coperta a prescindere dalla durata della corsa. Spostandoci al caso delle batterie, la capacita' rappresenta la lunghezza del percorso e il ritmo di corsa indica la corrente di scarica. Nel nostro paragone, sottoponendo la batteria ad una corrente di scarica eccessiva, e' come chiedere al podista di correre la maratona come se stesse facendo i cento metri. Prima che siano passati 500 metri, il corridore cadrebbe a terra sfiancato, cosi' come batterie verrebbe scaricata molto prima di renderci la quantita' elettrica corrispondente alla sua capacita'. Tale 'incapacita' atletica' si definisce, nelle batterie, effetto Peukert. Esso si spiega intuitivamente con il sistema di trasformazioni chimiche interne che, lungi dall'essere ideali, e' un po' come la macchina umana che non riesce a fornire istantaneamente tutta l'energia potenzialmente disponibile nei muscoli dell'atleta. Nel caso estremo del cortocircuito, che significa una richiesta di corrente elevatissima di qualche frazione di secondo, subentrerebbe poi un danno grave ed irreversibile simile al collasso dell'atleta.
Dove l'effetto Peukert sia molto pronunciato, si genera confusione di interpretazione sulla capacita' di una batteria. Per esempio nelle batterie al piombo, poco propense a fornire forti correnti, i costruttori misurano la capacita' dei loro prodotti riferita a condizioni standard che prevedono una corrente molto ridotta ma sostenuta per un tempo molto lungo di 20 ore (HR20). Per via di tali condizioni di misura, la capacita' di una batteria e' definita dal quantitativo erogato, su un periodo di 20 ore, dell'equivalente di corrente, che un generatore elettrico arbitrario, non affetto da Peukert, fornirebbe efficacemente in 1 ora. In altre parole, se la capacita' indicata dal costruttore e' di 10Ah, il ritmo ottimale di scarica e' realmente di 10(Ah) / 20(h) = 0,5A.
La condizioni standard di misurazione della capacita' di una batteria sono pertanto molto lontane da quelle dell'uso reale perche' 0,5 ampere a 36 volt in una bici elettrica e' alimentare un motore da 18W! L'assurdita' apparente di questo stato di cose deriva dal fatto che le batterie al piombo sono per loro natura, a meno di eccezioni costruttive, per uso stazionario e non veramente ciclico, come vedremo meglio appresso.
Per comprendere quali sono i parametri che concorrono all'effetto Peukert e' opportuno dare un'occhiata veloce alla formula empirica che lo descrive, in cui, particolarmente, compare il valore k, definito costante di Peukert, che e' direttamente dipendente dal tipo e dalla natura della batteria. La relazione e' la seguente:
dove:
H e' il tasso orario di scarica che viene specificato per la batteria in esame (es. 20, per batterie indicate con capacita' in Ah riferita ad una scarica oraria di 20 ore, HR20)
C e' la capacita' in Ah
I e' la corrente di scarica espressa in ampere
t e' il tempo risultante di scarica, in secondi
Si vede che la costante di Peukert k, e' all'esponente di un denominatore e quindi, crescendo, abbassa il valore di t in modo veloce, facendo diventare i tempi di scarica facilmente molto ridotti. A parita' di I e C, si vede anche come, in presenza di un tasso orario di scarica H piu' piccolo, si ottenga un t piu' grande, evidenziando che le batterie deep -cycle, quelle tipicamente con HR10, piu' piccolo di HR20, hanno una scarica intensa di maggiore durata.
La costante di Peukert nelle batterie al piombo ha un valore tipicamente piuttosto alto, tra 1,3 e 1,1 a seconda delle prestazioni di scarica di ciascun tipo e qualita' (SLA, AGM, deep-cycle), denotandone in particolare la tendenza negativa a scaricarsi velocemente in presenza di forti correnti di scarica sproporzionate (almeno 1C) alla propria capacita' oraria. La determinazione sperimentale di tale valore e' sempre in rapporto alle condizioni di uso reale (temperatura di esercizio, stato di manutenzione, etc.), oltre che alla qualita' della manifattura e percio' esso quasi mai viene effettivamente reso noto dai costruttori. Talora, alcune celle LiFePO4 sono state indicate con un indice pari a 0,8 che indica sostanzialmente la possibilita' di fornire la capacita' nominale a regimi di scarica piuttosto intensi, secondo quanto ricavacabile dall'applicazione di tale valore nella formula. Tutto considerato, nonostante la scarsa possibilita' pratica di avvalersi dell'indice di Peukert per valutare l'acquisto di una batteria, resta l'utilita' di conoscerne l'esistenza, laddove il dato divenga disponibile per le eventuali considerazioni ed approfondimenti sull'uso delle proprie batterie. In altre parole, oltre l'interesse speculativo, utile per la comprensione dell'effetto Peukert, l'uso pratico della costante, utilizzata nella formula matematica richiamata sopra, raramente trova riscontri pratici nella scelta delle proprie batterie.
Ciclicita'
Riferita ad una batteria, e' il grado di scarica che la batteria puo' subire. Viene espressa con un valore percentuale compreso in genere tra 20 e 100%. Il grado di scarica e' la possibilita', completa o solo parziale, di erogare quantita' di corrente in rapporto al residuo della propria capacita'. In base alle loro caratteristiche di ciclicità', le batterie si distinguono nelle seguenti categorie:
* Batterie non cicliche, da non utilizzare abitualmente per la trazione Sono definite "stazionarie" e sono normalmente quelle utilizzate nei tamponi di energia, negli antifurto e nelle autovetture. In esse, lo stato di carica progettato rimane vicino al 100% per quasi tutto il tempo di utilizzo, senza subire scariche prolungate. La ciclicita' delle stazionarie e' limitata al 20%, significando che esse dovrebbero restare sempre cariche almeno all'80% prima della necessaria ricarica successiva, ovvero non essere scaricate piu' del 20%.
* Batterie mediamente cicliche o semi-cicliche, usate negli UPS (gruppi di continuita' elettrica), dove la batteria e' impiegata eventualmente fino ad una scarica oltre il 50%, solo occasionalmente.
* Batterie per trazione, anche dette Deep-Cycle, dove la batteria e' impiegata fino all'80% della propria carica come nel caso delle bici elettriche e dei veicoli elettrici in genere.
Nota Importante:
La suddetta classificazione e' concettuale e genericamente valida a prescindere dal tipo di chimica. E' invece particolarmente significativa e stringente per le batterie al piombo, dove la suddivisione in categorie e' merceologica fino al punto che l'acquisto corretto di una batteria al piombo non puo' mai prescindere dalla accurata considerazione preventiva della categoria di utilizzazione con la quale la batteria viene posta in vendita.
Densita' di energia
E' una grandezza empirica indiretta che lega in rapporto il prodotto di tre fattori (voltaggio, corrente e durata, ovvero VAh) al peso della batteria (Kg). L'unita' di grandezza e' quindi il VAh/Kg e a valore alto corrisponde batteria migliore. Il rapporto in tali termini e' definito gravimetrico (densita' gravimetrica) per distinguere da quello volumetrico, che invece mette in rapporto la energia contenuta dalla batteria con il volume. Per densita' si intende in genere quella gravimetrica.
Quasi sempre, il valore di energia e' espresso in Wh invece che VAh. A mio modo di vedere, questa indicazione, per quanto dimensionalmente corretta, porta potenzialmente a conclusioni improprie. In realta', la capacita' di una batteria si esprime operativamente attraverso la corrente che essa riesce a generare nel tempo e non con l'energia che se ne puo' estrarre, a causa dell'effetto Peukert che si oppone all'eccessiva erogazione di corrente e che porta a scarica prematura la batteria ben prima che essa abbia avuto il modo di fornire tutta l'energia teorica. Nondimeno si trova spesso la densita' di energia espressa in Wh/Kg ma in tal caso difficilmente i Wh promessi saranno mantenuti , per via delle intensita' di corrente che saranno eventualmente richieste dall'uso.
La densita' di energia e' il parametro che, in base alla potenza del motore scelto, da' le indicazioni migliori sulla scelta del tipo di batteria, perche' descrive l'autonomia del proprio mezzo. Moltiplicando la densita' di energia per il peso in Kg della batteria si ottiene la quantita' nominale di energia elettrica, al lordo dell'effetto Peukert.
Ad esempio, considerando un peso corporeo medio di 75-80Kg, una percorrenza con dislivelli medi leggeri ma abbastanza costanti (+/-50mt), ed un minimo contributo muscolare senza sudare, il fabbisogno di energia elettrica di una bici da 250W puo' essere considerato di circa 10Wh/Km. Una batteria di 9Kg con densita' di energia , pari a 40Wh/Kg (in pratica, una 36V/10Ah) assicurerebbe, con buona approssimazione, un'autonomia di 36Km.
Densita' di potenza
E' un'altra grandezza empirica, indirettamente utilizzata per valutare le batterie e non va confusa con la
densita' di energia, descritta al punto precedente. Indica l'intensita' di corrente generabile in rapporto al peso. Essa descrive la capacita' della batteria a fornire forrenti forti per alimentare motori particolarmente potenti che lo richiedano. In generale, a causa di molti fattori tra cui l'effetto Peukert, per ottenere sufficienti correnti richieste nella la propria applicazione, occorre adottare una batteria di grande capacita' e quindi anche grandi materialmente. Il peso rilevante porta allo svantaggio di avere una batteria di bassa densita' che, per ragioni indipendenti, ovviamente non e' desiderabile. Ci sono peraltro batterie che producono forti correnti nonostante un peso ridotto, magari a scapito di una piu' ridotta densita' di energia. Batterie, cioe', che riescono a dare tutta la propria energia in un tempo molto breve, per soddisfare esigenze di potenza ma non di durata. . Nel mondo delle biciclette elettriche, almeno quelle autorizzate per percorrere le strade pubbliche dove l'autonomia e' preferita in presenza di un'oggettiva limitazione di potenza, generalmente questo parametro non e' importante quanto la densita' di energia.. La densita' di potenza diventa piu' precisa se si considera la doppia modalita' di erogazione della corrente, che puo' essere di regime sostenuto o istantaneo. La prima indica la corrente media che la batteria riesce a sopportare senza danneggiarsi per un tempo indefinito; la seconda indica la massima corrente ammessa per un periodo limitato di erogazione, per esempio in 4 sec, prima di danneggiarsi.
Come accennato, la corrente di scarica tende ad aumentare con la capacita' della batteria. In genere si indica in A (ampere), ma una consuetudine molto utilizzata e' quella di esprimerla in multipli o sottomultipli della capacita' (C). Ad es. 1C a regime significa una corrente di 10A generabile con continuita' da una batteria 10Ah. Una corrente istantanea dichiarata di 3C per la medesima batteria , significa che la massima corrente di picco per brevi periodi puo' arrivare a 30A.
A prescindere dall prestazioni e del tipo della propria batteria, sconsigliabile a tutti e' di fare cortocircuiti, anche brevissimi ed insospettabili, perche' basta un secondo o due di corto per portarla subito al centro di smaltimento differenziato, come anche sconsigliabile e' utilizzare correnti troppo elevate rispetto alle caratteristiche delle batterie.
Durata di vita
Indica il numero di volte che una batteria puo' essere ricaricata (cicli utili). Tipici valori sono 200-300 per il Piombo, 300-500 per il NiMH, 500 o piu' per il Litio (Cobalto o Manganese), 1000-3000 (Litio fosfato)
Le oscillazioni variano a seconda del costruttore ma soprattutto conta osservare che il numero di cicli di una batteria e' seriamente condizionato dalla corretta utilizzazione e ricarica durante l'arco di vita. Batterie usate male, o ricaricate male, durano drasticamente meno di quanto promesso.
Tempo di ricarica
Se si indica con C la capacita' della batteria e A la corrente fornita dal caricabatteria, il tempo T e' dato da C/A. Ad esempio, per caricare una batteria da 10Ah con un caricabatteria da 1A, occorrera' un tempo T di 10 ore. In genere il tempo reale di ricarica e' almeno il 10% piu' lungo, a causa dei processi dissipativi interni alla batteria che sviluppano calore nel momento della ricarica.
Come gia' accennato in precedenza la ricarica, deve essere un processo che richiede supervisione ovvero la sorveglianza almeno indiretta di una persona. In generale le batterie al piombo hanno un problema di eccessiva gassificazione se sottoposte a ricariche troppo intense, che si manifesta con un tipico odore di acido nell'ambiente circostante, ma quelle al litio-cobalto, tra quelle a maggiore densita' di energia, e' richiesta una particolare cautela. Le litio-cobalto utilizzano infatti degli elettrodi all'ossido di cobalto, dove un piccolo aumento causato da sovraccarico accidentale, può rapidamente far salire la temperatura all'interno della cella e, in alcuni casi, provocare combustione. Ciò accade perché, con il surriscaldamento, l'ossido di cobalto genera ossigeno, che reagisce con il solvente contenuto nell'elettrolita della cella e genera altro calore, alimentando a catena la reazione. Anche sei il problema e' stato in parte risolto con le litio-manganese , dove l'ossido di cobalto e' sostituito con l'ossido di manganese l'esempio e' valido per sottolineare la continua e generale necessita' di supervisione di un operatore nella ricarica di qualunque pacco.
In generale quindi la ricarica e' un fenomeno lento. Qualche volta e' previsto che la lentezza della ricarica operi un naturale ribilanciamento delle celle, soprattutto in quei casi dove non e' previsto un dispositivo allo scopo specifico e che la chimica lo consenta, per esempio nel caso del NiMH e del piombo.
Esistono delle batterie di nuova concezione, le A123, che permettono ricariche veloci ma sono ancora delle rarita' e molto costose. Per tutte le batterie di tecnologia corrente, ricaricare lentamente prolunga la vita dell'accumulatore. L'intensita' della ricarica ideale e' il 20-25% della capacita' nominale, quindi un pack da 10Ah si ricarica a 2A. Il caricabatteria quindi non deve erogare correnti maggiori di 0,25C, che renderebbero troppo veloce la ricarica e sottoporrebbero la batteria ad uno stresso analogo a quello di una scarica troppo intensa. Sulle batterie al Piombo spesso questo dato e' riportato sull'involucro. Peraltro e' possibile per altre chimiche, come il NiMH una ricarica piu' veloce, anche di 0,6 o 0,7C, ma bisogna tenere presente che, senza che la circostanza sia molto descritta, questa procedura veloce accorcia significativamente la vita degli accumulatori. In teoria, comunque, ogni accumulatore ha una corrente di ricarica massima da non superare ed in molti casi il valore viene chiaramente indicato dal costruttore, non essendoci sul valore massimo una regola generale per la variabilità di altri fattori legati alla costruzione stessa delle celle o del pack.
Ancora piu' in generale e' possibile dire che per ricaricare un accumulatore e' necessario fornire corrente nel giusto modo. Anche se ogni tipo di accumulatore si puo' caricare in qualche modo fornendo semplicemente corrente, non utilizzando la corretta procedura puo' produrre danni permanenti alle celle. Il mio consiglio e' quello di utilizzare sempre il caricabatteria in dotazione alla propria batteria o, in mancanza, un caricabatteria che sia adatto al tipo di chimica e che fornisca un'intensita' di corrente idonea alla dimensione e capacita' del proprio pack. Utilizzare un caricabatteria inadatto per tipologia o potenza elettrica puo' arrecare danni non immediatamente visibili e determinare in modo subdolo l'accorciamento della vita del pack.
Ho verificato che si tende generalmente a transigere sulla importanza di caricare correttamente le batterie e cio' infatti e' l'altra faccia della stessa medaglia quando si tratti di usare analoghe avvertenze per l'operazione opposta di scarica, cioe' di utilizzazione
Velocita' di scarica
Definito C-rate, indica, come multiplo della capacita' espressa in Ah, l'intensita' di scarica ammessa. Si distinguono
- l'intensita' tipica in regime di funzionamento continuo,
- l'intensita' ammessa in regime di funzionamento occasionale e breve
- l'intensita' massima in regime istantaneo
Ad esempio, per una batteria di capacita' pari a 10Ah, se la massima scarica in regime continuativo
ammessa e' 2C significa che puo' essere alimentato un motore con potenza nominale che non superi 20 A di corrente assorbita. Per regime istantaneo della scarica si intende uno di brevità mai superiore a 4 secondi.
Resistenza interna
E' un fattore di qualità della batteria, tanto migliore quanto piu' basso. E' una grandezza che intuitivamente indica quanto facilmente la batteria puo' essere caricata o scaricata. Dal punto di vista elettrico e chimico, rappresenta l'abilita' di una batteria a ribilanciare il potenziale elettrico (f.e.m.) che tende ad essere naturalmente scompensato sugli elettrodi per effetto della scarica o della carica. In pratica, per fare un esempio nel caso della scarica, ad una corrente esterna, prodotta verso il carico, dovrebbe idealmente corrisponderne una uguale, internamente, che ribilanci il flusso delle cariche fuoriuscenti all'esterno Nel caso reale, tale corrente interna non e' mai di intensita' pari a quella erogata all'esterno e la differenza puo' essere espressa con la legge di Ohm attraverso un valore di resistenza, detta appunto "interna", che definisce la difficolta' della batteria a seguire la richiesta del carico. Il calcolo della resistenza interna da' quindi indicazione della qualita', soprattutto in termini della possibilita' di assolvere picchi di potenza e sullo stato di invecchiamento di una batteria ma purtroppo e' impossibile eseguirne una misurazione diretta. Misurata in ohm , puo' essere comunque ricavata con mezzi relativamente facili disponendo di un carico di valore conosciuto, di un voltmetro e di un amperometro, attraverso la relazione (Vn - Vc) / I dove Vn e' la tensione a vuoto della batteria, Vc quella sotto carico e I e' la corrente circolante per effetto del carico.
La resistenza ideale non esiste, una cioe' che sia bassa a volonta' ovvero uguale al valore nullo. Ha senso considerarla per una batteria solo per confronto con se stessa, a distanza di tempo onde misurarne l'invecchiamento, o con altre batterie purche' dello stesso tipo e di condizioni di impiego. Ogni tipo di chimica ha infattti un valore proprio di riferimento e soprattutto una variabilita' di valore in funzione dello stato di carica che potenzialmente fornisce indicazioni di quale chimica migliore a seconda dell'uso. Ad esempio, nelle LiFePO4, ritenute capaci di una buona densita' di potenza, una buona resistenza interna e' ritenuta 6 ohm, un valore relativamente basso e che ne descrive i pregi di "elasticita'". La resistenza interna e' spesso descritta dai costruttori nelle caratteristiche dei prodotti ma, affinche' la sua lettura possa avere effettiva utilita' nel senso delle prestazioni in scarica, il dato dovrebbe essere reso disponibile rapportato alle condizioni di scaricamento progressivo della batteria, in considerazione del fatto che un valore di resistenza interna dichiarato a batteria completamente carica ha utilita' relativa per applicazioni di trazione.
Effetto memoria
E' quasi un retaggio del passato, almeno nelle bici elettriche. Lo conosce soltanto il Ni/Cd e consiste nella circostanza che una scarica parziale della batteria ne impedisce la completa utilizzabilita' successiva. Cioe' ricaricando una batteria Ni/Cd, precedentemente utilizzata solo per il 10%, produce una disponibilita' pari al 10% del nominale atteso, cioe' la batteria basa tale disponibilità sul 'ricordo' dell'ultimo uso. Per azzerare la memoria occorre portare a scarica completa l'accumulatore, condotta con appositi caricabatterie che lo prevedono.
Piombo, NiMH e Litio in genere, non hanno effetto memoria e sono quindi preferibili nel caso delle applicazioni delle biciclette elettriche, per via del ritmo di uso delle batterie spesso non prevedibile.
Autoscarica
Ogni batteria e' soggetta ad autoscarica, cioe' a perdere spontaneamente la carica da ripristinare con nuova ricarica. La batteria con autoscarica relativamente maggiore e' il NiMH, minore e' quella del Piombo e, ancora un po' meno, il Litio. In genere la perdita di carica piu' significativa si verifica nei primi giorni dalla ricarica e tende ad essere meno intensa nel periodo successivo, Generalmente una NiMH e' quasi completamente autoscaricata dopo 20-30 giorni dalla ricarica, quella al piombo in 3-9 mesi, a seconda della temperatura di conservazione.
Costo
Il costo e' legato principalmente alla densita' di energia, alle varianti costruttive ed alla qualita' della realizzazione.
In genere il valore commerciale crescente e' nei seguenti tipi: Piombo, Ni/Cd. NiMH, LiCo/LiMn, LiFePO4, nano-LiFePO4. Solo per dare idea media, il costo orientativo attuale per VAh e', in euro:
0,1 - 0,3 Piombo
0,6 Ni/Cd
0,8 NiMH
1,3 LiCo/LiMn
2,0 LiFePO4
Quale tipo di batteria?
Nessuna batteria e' perfetta e sceglierne una e' sempre il risultato di un compromesso. Le caratteristiche che possono essere scelte in una batteria sono le seguenti. Si tenga presente che in nessun caso tali caratteristiche coesistono contemporaneamente, per cui scegliere una certa batteria, invece di un'altra, significa implicitamente rinunciare a qualcosa.
Piombo:
Costruite in vari modi, una volta esistevano quelle ad elettrolita liquido, come si usavano nelle autovetture fino ad un ventennio fa. Quelle di oggi, definite VRLA, hanno il liquido elettrolita sostituito da una sostanza gelatinosa che procura il vantaggio di evitare il disseccamento e lo spargimento accidentale dei liquidi corrosivi contenuti (acido solforico). Le caratteristiche costruttive delle VRLA hanno suggerito di descriverle come "sigillate" (SLA, o "Sealed Lead Acid") ma in realta' tali batterie non lo sono mai effettivamente, perche' nel loro funzionamento deve essere lasciata la possibilita' che si liberino in aria i gas generati nella reazione di carica/scarica. Le valvole di sfiato, che provvedono a tale specifica regolazione della pressione interna, determinano pertanto l'attribuzione di VRLA (Valve Regulated Lead Acid). Con VRLA o SLA puo' essere quindi identificato il tipo di batteria al piombo moderna, che non richiedono attivita' di rabbocco dell'elettrolita o di altro genere. Tuttavia, il termine di "zero manutenzione", spesso utilizzato nelle batterie SLA, e' improprio, come si vedra' poco appresso, vista la necessita' di provvedere alla ricariche periodiche in caso di inutilizzo.
Come gia' accennato in precedenza, le batterie al piombo possono essere ulteriormente classificate in base al tipo di uso richiesto: Stazionarie, Semi-Cicliche o Deep-Cycle per trazione.
Stazionarie.
Sono le normali SLA/VRLA/Gel, talora impropriamente utilizzate per la trazione elettrica a causa del loro basso costo. In applicazioni di trazione, infatti, si danneggiano rapidamente. Le stazionarie sono progettate per avere un ciclo di scarica mai piu' profondo del loro 10% totale.
Semi-cicliche.
Esse sono rappresentate attraverso una variante costruttiva delle VRLA standard, conosciuta come AGM (Absorbent Glass Mat) che, grazie ad una struttura interna elaborata, riesce ad avere elevata densita' di potenza, bassa resistenza interna e forte resistenza alle vibrazioni meccaniche. AGM e' la tipologia costruttiva tipica delle batterie per impiego ciclico o semi-ciclico.
Sono tipicamente utilizzate negli UPS (gruppi di continuita' elettrica), in quanto permettono una scarica fino al 50% . Tutte le AGM forniscono un'importante caratteristica di robustezza agli shock e alle vibrazioni meccaniche. Un tipo di batterie AGM e' quello marino, dove le condizioni di impiego sono considerate particolarmente gravose. Il peso delle AGM e' sensibilmente maggiore di una batteria SLA/gel, anche per il motivo dell'irrobustimento costruttivo. Le AGM possono essere usate per una moderata trazione, avendo avvertenza di non usare mai gli accumulatori oltre il 50% della propria capacita' nominale.
Deep-Cycle.
Esse sono una ristretta minoranza delle batterie in commercio e in pratica sono l'evoluzione costruttiva delle AGM, garantendo la possibilita' di raggiungere la scarica completa fino all'80%.
Sono quelle specificamente definite propriamente "per trazione". In genere a tale caratteristica si accompagna anche la possibilita' di generare elevate correnti di scarica grazie ad un effetto Peukert leggermente piu' ridotto. Un modo frequente per riconoscerle e' la scritta HR10 che contraddistingue il tempo di riferimento (10 ore) di scarica della capacita' nominale, che normalmente per gli altri tipo e' HR20 (20 ore). Le Deep-Cycle trovano difficilmente in commercio ed in genere occorre specificamente ordinarle da catalogo. Le batterie al piombo in dotazione alle bici commerciali sono di tale tipo.
Avendo quindi scelto il tipo, relativo all'impiego identificato, come si usano correttamente in generale? La prima regola, proprio per tutte indistintamente, e' di non scaricarle mai oltre la soglia percentuale consentita al tipo di appartenenza, pena il danneggiamento permanente. Cio' vale anche per le deep-cycle, che se utilizzate oltre l'80% cominciano gradualmente a perdere irreversibilmente le proprieta' al punto che alcuni costruttori dichiarano di far decadere la garanzia in caso di riconosciuto uso improprio. La seconda regola e' che tutte le batterie al piombo, se non utilizzate, necessitano di manutenzione , ovvero di una ricarica periodica di rinfresco che compensi l'autoscarica e che varia in base alla temperatura ambiente di conservazione. 3 mesi a 30-40 gradi, 6 mesi a 20 gradi, 9 mesi sotto i 10 gradi. Un'ottima ed importantissima abitudine e' anche quella di ricaricarle dopo ogni qualsiasi scarica parziale, per mantenerle costantemente al 100% e mai lasciarle in disparte scariche o parzialmente scariche. Inoltre, il voltaggio delle batterie non dovrebbe mai scendere oltre i 10,5V (per una da 12V), fatto che le porterebbe in poco tempo al processo irreversibile di solfatazione. Con tale ultimo termine si intende un processo di danneggiamento degli elettrodi che porta la batteria a progressiva inservibilita' ; in pratica nella solfatazione si provoca uno stato in cui i componenti chimici non possono essere piu' ricombinati, portando la reazione chimica ad equilibrio prematuro. Esistono appositi dispositivi, definiti, desolfatatori, che permettono il recupero delle batterie parzialmente danneggiate, ma il merito del loro intervento e' fortemente pregiudicato dallo stato di effettivo danneggiamento delle batterie sottoposte a tale trattamento. La vita delle batterie al piombo dipende percio' molto dal loro buon uso e, se condotte bene, riescono a raggiungere 200-300 ricariche complete. Anche la temperatura di esercizio e' un importante dettaglio, perche' con il freddo intenso tendono temporaneamente a concedere meno energia, cioe' ad accorciare il funzionamento utile.
Infine e' bene notare che tutte le batterie al piombo hanno, in tutte le possibili versioni, effetto Peukert molto pronunciato.
NiCd
Le Nickel-Cadmio offrono una densita' di energia leggermente superiore al piombo ma con la possibilita' di lavorare anche a basse temperature e con un elevato numero di cicli ma, perche cio' sia avveri, richiedono la corretta manutenzione. Robustissime, riescono a fornire scariche anche molto potenti e a lavorare in situazione estreme di temperatura ed infatti sono molto usate in ambito aeronautico anche perche' in tal caso la corretta manutenzione non dovrebbe essere un problema. Anche per l'effetto memoria, che ne riduce la facilita' di uso, si vedono poco sulle bici elettrico e sui veicoli in genere.
NiMH
Rappresenta un ottimo compromesso di quasi tutti i pregi e i difetti. Ha una densita' di energia discreta, puo' essere scaricata con ciclicita' elevata, vita discretamente longeva di 300-500 cicli con costi medi accessibili ma autoscarica abbastanza prononuciata, teme la temperatura e soffre la ricarica mal eseguita.
La tentazione di accorciare i tempi per fare una ricarica rapida incombe sempre, ma il NiMH tollera male questa scorciatoia. In genere la ricarica che non accorcia la vita delle celle la si ottiene tra 0,1 e 0,3C, stando bene attenti a non superare mai comunque la tensione di cella carica (poco meno di 1,4V), meglio se con caricabatteria "smart", che riescono a sentire la impercettibile variazione di tendenza del potenziale elettrico al raggiungimento della carica massima (delta negativo) . Per l'uso ottimale, e' poi utile seguire alcuni accorgimenti unici per questo tipo di chimica:
- E' particolarmente opportuno non caricare mai le celle quando esse sono surriscaldate dall'uso precedente.
- Evitare la sovra-carica utilizzando esclusivamente caricabatteria concepiti per tale tipo.
- Produrre una scarica totale almeno ogni 2-3 mesi, per evitare la cristallizzazione del Nichel.
- Se interessati alla potenza ottenibile, attendere qualche ora (3 o 4) tra l'avvenuta ricarica e l'uso effettivo, in quanto e' stato dimostrato che la resistenza interna delle celle tende a diminuire sensibilmente se usate in tal modo, anche se cio' in realta' non porta effettivamente beneficio sulla capacita' totale.
Le NIMH hanno un effetto Peukert medio.
Litio/cobalto e Litio/Manganese
Precedenti alla comparsa dei fosfati, sono conosciute come Li-ion . La varieta' al cobalto e' quella a maggiore densita' di energia ma anche quella piu' problematica sia in carica che in scarica, in quanto generano molto calore e sono soggette ad un 'effetto innesco' nella fase di scarica che le porta, se non usate con particolare attenzione alle intensita' della corrente, a pericolosi reazioni di incendio. In piu', durante la scarica, le celle si sbilanciano, ovvero la tensione ai capi di ciascuna di esse assume valori diversi, portando quelle piu' cariche al sovraccarico nella ricarica, a meno di non intervenire con un procedimento di ribilanciamento, tramite uso di bilanciatori. Poiche' questi ultimi possono essere installati, a scelta dei costruttori, direttamente sulla batteria, nel contesto dei cosiddetti BMS (Battery Management System), o nei caricabatteria, essi non vengono forniti assieme ai pack. In tal caso, pero', il risparmio sui bilanciatori risulta solo illusorio. Per andare prudenti e semplici e' invece caldamente consigliato l'uso di soli pack gia' forniti di BMS, che eventualmente aggiungono anche altre dotazioni accessorie di sicurezza, come la protezione dal sovraccarico e dal surriscaldamento. Nonostante la chimica degli ioni di litio sia stata nel tempo stabilizzata attraverso la tecnologia di costruzione Li-Po (litio polimero, cioe' con un litio non presente in forma metallica, chimicamente molto reattiva, ma incluso in molecole di polimero che ne attenuano la pericolosita'), la corrente massima di scarica, in particolare del LiCo, raramente supera 1C in condizioni di sicurezza. In genere Il Litio-Cobalto attrae per l'alta densita' di energia ma bisogna considerarne i limiti applicativi e non stressarlo di carico, specie se in assenza di dispositivi elettronici di limitazione.
I cicli utili del litio sono almeno 500, in corrette condizioni di uso, ma esiste un fenomeno latente di invecchiamento spontaneo che danneggia le batterie a prescindere dall'uso effettivo. Le celle Li-ion o li-po non amano a stare sullo scaffale inutilizzate, e cio' per via dello stesso fenomeno che segna la fine prematura delle celle dei portatili PC quando non siano usati per lunghi periodi. Cifre esatte non sono diffuse ma e' bene che chi usa le celle li-po ne preveda una buona frequenza di sfruttamento onde ammortizzare tale svantaggio. Il costo di tali celle e' del resto abbastanza elevata ed aumenta la necessita' di considerare un calcolato tempo di ammortamento.
Le litio hanno un effetto Peukert medio-basso, nei limiti del rispetto delle loro correnti ammissibili.
LiFePO4
Sono in un certo senso le batterie al piombo del futuro. A meno di rivoluzioni imminenti, le vecchie SLA saranno assolutamente lente a morire ma le LiFePO4, mediando tra i vari tipi di litio, potranno in futuro competere con tutte le applicazioni del piombo, sia nel senso della accresciuta densita' di energia che della stabilita' ed affidabilita'. Al momento attuale, esistono delle varianti ad alta energia ed ad alta potenza che sono i nanofosfati. Utimamente sono arrivate generazioni di LiFePO4 a bassissimo costo ma con prestazioni ancora da verificare. Le qualita' principali delle LiFePO4 sono: stabilita' della chimica, che non genera ossigeno od altre sostanze nocive o incendiarie, buona densita' di energia, anche se non elevatissima, ottima densita' di potenza con capacita' di generare correnti medie anche di vari C, buoni tempi di ricarica in qualche caso (le A123) anche rapidissimi, elevato numero di cicli utili, da 1000 a 3000 a seconda della produzione.
Il vero inconveniente delle LiFePO4 e' il costo delle celle, ancora molto elevato ed elevatissimo nel caso dei nanofostati
Il LifePO4 economico si riconosce in genere per la forma fisica delle celle, prismatiche in plastica anziche' cilindriche, e per le capacita' di potenza ridotte a 1C o 2C , rispetto agli svariati C delle piu' pregiate e alle decine di C dei nanofosfati (A123)
Il LiFePO4 economico, ultimamente disponibile in Internet tramite E-Bay, ha un grado di rifinitura approssimativo, per non dire primitivo, e necessita' di attenzione particolare nell'installazione non essendo confezionate con efficaci protezioni materiali.
Le LifePOP4 hanno un effetto Peukert abbastanza basso.
Nanofosfati
Sono l'evoluzione chimico-costruttiva del LiFePO4 ed in qualche caso stanno addirittura soppiantando le Ni-Cd in applicazioni ove e' richiesta per antonomasia affidabilita', Sulle bici elettriche il vantaggio si traduce in alta densita' di potenza, che vuol dire ingombri ridotti anche su bici potenti, e tempi di ricarica molto brevi , anche solo decine di minuti per svariati A. I nanofosfati hanno un effetto Peukert molto basso, una caratteristica che qualunque batteria ideale vorrebbe possedere ma hanno il problema del costo, essendo la punta tecnologica attuale. Una importante componente del costo e' legata all'uso degli accessori obbligatori, caricabatterie e bilanciatori, che devono essere di tipo specifico e quindi anch'essi costosi. Sostanzialmente sicure, le celle ai nanofosfati impongono di essere ben usate, pena il danneggiamento e il decurtamento dei preziosi e numerosi cicli ricarica sviluppabili. Commercialmente il marchio di riferimento e' A123 ma i canali di rifornimento sono ancora piuttosto di nicchia.
Esiste la nota possibilita' di ottenere celle A123 cannibalizzando i pacchi batterie ad alta potenza dei trapani DeWalt, ma questa pratica non elimina il problema di dover poi allestire le serie di voltaggio idoneo, con tutte le relative problematiche di ricarica e ribilanciamento L'uso dei nanofosfati e' pertanto rivolto ancora agli sperimentatori perche' l'uso compatibile con il mezzo di trasporto elettrico non trova rispondenza in prodotti commerciali definiti, soprattutto per quanto concerne caricabatteria e bilanciatori.
SMALTIMENTO DELLE BATTERIE ESAUSTE
Tutti avranno fatto caso come venga fortemente richiesto di eliminare le batterie elettriche esaurite, specialmente quelle al piombo, attraverso appositi canali di smaltimento, al costo di incorrere in pesanti sanzioni amministrative. Le batterie, infatti, sono composte da materiali chimici fortemente inquinanti e debbono subire una specifica forma di smaltimento differenziata.
Per lo smaltimento delle proprie batterie, si consiglia di rivolgersi all'Ufficio Ecologia o a quello per la Raccolta Differenziata dei rifiuti del proprio Comune per ottenere indicazioni sul luogo in cui consegnarle
stesura: Mazott - ultima modifica: 23 novembre 2008
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