1. Capacità della batteria

Generalmente, la capacità della batteria è determinata dalla quantità di materiale attivo al suo interno, solitamente espressa in milliampere-ora (mAh) o Ah. Ad esempio, 1000 mAh possono essere scaricati per 1 ora con una corrente di 1 A.

1.1 Comprensione della capacità della batteria: nominale vs. effettiva vs. teorica

In base a diverse condizioni, la capacità della batteria può essere suddivisa in capacità effettiva, capacità teorica e capacità nominale.

La capacità che una batteria fornisce quando viene scaricata a una determinata velocità di scarica a 25 °C fino alla tensione ai terminali è definita come capacità della batteria in fase di progettazione e produzione. Questa è definita capacità nominale per una determinata velocità di scarica RH.

La capacità della batteria si misura in genere in AH (Ampere-ora). Un altro metodo di misurazione è il numero di celle (per piastra unitaria) in watt (W/CELLA).

1. Per calcolare gli Ah (Ampere-ora), si prende la corrente di scarica (corrente costante) I e la si moltiplica per il tempo di scarica (in ore) T. Ad esempio, una batteria da 7 AH scaricata ininterrottamente a 0,35 A può durare per circa 20 ore.
2. Il tempo di ricarica standard è di 15 ore e la corrente di carica è pari a 1/10 della capacità della batteria. La ricarica rapida può ridurre la durata della batteria.

La capacità della batteria si riferisce alla quantità di carica elettrica immagazzinata in una batteria. L'unità di misura per la capacità della batteria è "mAh", nota in cinese come milliampere-ora. Per batterie di capacità maggiore, come le batterie al piombo-acido, si usa generalmente l'"Ah" (ampere-ora), dove 1 Ah = 1000 mAh. Se una batteria ha una capacità nominale di 1300 mAh e la si scarica con una corrente di 130 mA, la batteria può funzionare per circa 10 ore (1300 mAh/130 mA = 10 ore). Se la corrente di scarica è di 1300 mA, l'autonomia scende a circa 1 ora. Questi calcoli presuppongono condizioni ideali e il funzionamento effettivo del dispositivo può variare in base ai componenti, come uno schermo LCD o il flash di una fotocamera digitale, che possono causare ampie variazioni di corrente. Pertanto, l'autonomia effettiva di un dispositivo alimentato a batteria può essere solo approssimata, solitamente basata sull'esperienza pratica.

1.2 Unità di capacità

In genere, la capacità della batteria si misura in ampere-ora (Ah), e viene determinata tenendo conto di una specifica batteria. Ad esempio, la domanda potrebbe essere: qual è la capacità della batteria di questo smartphone? Oppure qual è la capacità della batteria di questo scooter elettrico? Queste domande sono specifiche per ogni batteria. Quando la tensione della batteria è già definita e non si considera la tensione in tempo reale, la semplice indicazione degli ampere-ora può rappresentare la capacità della batteria.

Tuttavia, quando si tratta di batterie con tensioni diverse, non ci si può basare semplicemente sugli ampere-ora per indicare la capacità. Prendiamo, ad esempio, una Batteria MANLY 12V 20AH e una batteria MANLY da 15 V e 20 Ah. Anche se entrambe hanno una capacità di 20 Ah, alimentando un dispositivo con lo stesso carico, il dispositivo funzionerà perfettamente, ma la durata di funzionamento sarà diversa. Pertanto, la capacità standard dovrebbe essere misurata in termini di potenza.

Per illustrare ulteriormente il concetto, si consideri un dispositivo in grado di supportare sia 12 V che 24 V. Se alimentato da una batteria MANLY da 12 V e 20 Ah, può durare un'ora. Tuttavia, se due batterie di questo tipo vengono collegate in serie, ottenendo una potenza di 24 V e 20 Ah, gli ampere-ora rimangono invariati, ma l'autonomia raddoppia. In questo contesto, la capacità dovrebbe essere considerata in termini di potenza che la batteria può contenere, non solo di ampere-ora.

Potenza (W) = Potenza (P) * Tempo (T) = Corrente (I) * Tensione (U) * Tempo (T).

Questo approccio alla discussione sulla capacità della batteria è più significativo. Bisogna essere realistici e basati sui fatti; altrimenti, si potrebbe finire con l'affermare illogicamente che la batteria di uno smartphone ha una capacità maggiore di quella di uno scooter elettrico, il che è chiaramente antiscientifico.

2. Tensione nominale

La differenza di potenziale tra gli elettrodi positivo e negativo della batteria è chiamata tensione nominale della batteria. La tensione nominale è determinata dal potenziale dell'elettrodo del materiale della piastra e dalla concentrazione dell'elettrolita interno. Il diagramma di scarica di una batteria al litio è parabolico, con 4,3 V che scendono a 3,7 V e 3,7 V che scendono a 3,0 V, entrambi con variazioni rapide. Solo il tempo di scarica di circa 3,7 V è il più lungo, rappresentando quasi i 3/4 del tempo, quindi la tensione nominale della batteria al litio si riferisce alla tensione che mantiene il tempo di scarica più lungo.

1. Batteria al litio ternaria

La tensione nominale di una cella al litio ternaria è di 3,6 V, con un intervallo di tensione operativa compreso tra 2,5 V e 4,2 V. Per un pacco batteria, si moltiplica la tensione per il numero di celle in serie. Ad esempio, per un pacco batteria al litio ternario composto da 10 celle in serie, la tensione nominale è di 36 V e l'intervallo di tensione operativa varia da 25 V a 42 V.

2. Batteria al litio ferro fosfato

La tensione nominale di una cella al litio-ferro-fosfato è di 3,2 V, con un intervallo di tensione operativa compreso tra 2,0 V e 3,65 V. Analogamente, per il pacco batteria corrispondente, si moltiplica per il numero di celle in serie. Ad esempio, un pacco batteria al litio-ferro-fosfato da 15 celle in serie ha una tensione nominale di 48 V, con un intervallo di tensione operativa compreso tra 30 V e 54,75 V.

Quali sono quindi le implicazioni della bassa tensione per le batterie al litio?

Si consiglia di conservare le batterie al litio a lungo termine con circa 701 TP3T di carica. Se non vengono utilizzate per 3-6 mesi, è consigliabile effettuare un ciclo di carica e scarica completa. Questo aumenterà la durata complessiva del pacco batteria.

Se conservata per lunghi periodi senza essere utilizzata e a bassissime tensioni, la batteria al litio può subire effetti negativi sui materiali. La sua reattività chimica potrebbe deteriorarsi, con conseguente riduzione della durata della batteria.

Le batterie agli ioni di litio funzionano a tensioni comprese tra 2,5 V e 4,2 V. Quando la tensione scende al di sotto di 2,5 V, la scarica della batteria termina e, a causa della chiusura del circuito di scarica, la perdita di corrente del circuito di protezione interno scende al minimo. Tuttavia, nelle applicazioni reali, a causa delle variazioni nei materiali interni, la tensione di terminazione della scarica può variare da 2,5 V a 3,0 V. Quando la tensione supera i 4,2 V, il circuito di carica viene interrotto per garantire la sicurezza della batteria.

3. Tensione di terminazione della carica

Quando la batteria ricaricabile è completamente carica, il materiale attivo sulla piastra dell'elettrodo ha raggiunto uno stato di saturazione e la tensione della batteria non aumenta se la batteria continua a essere caricata. La tensione a questo punto è chiamata tensione di fine carica. La batteria al litio ternaria è di 4,2 V e la batteria al litio-ferro-fosfato è di 3,65 V.

4. Tensione di terminazione della scarica

La tensione di fine scarica si riferisce alla tensione minima consentita quando la batteria è scarica. La tensione di terminazione della scarica è correlata alla velocità di scarica.

5. Resistenza interna della batteria

La resistenza interna della batteria è determinata dalla resistenza della piastra dell'elettrodo e dalla resistenza del flusso ionico. Durante il processo di carica e scarica, la resistenza del motore di immagine e della piastra dell'elettrodo rimane invariata, ma la resistenza del flusso ionico aumenta o diminuisce con la concentrazione dell'elettrolita e degli ioni caricati. E cambia. Quando la tensione OCV di una batteria al litio diminuisce, l'impedenza aumenta. Pertanto, quando si carica a bassa potenza (inferiore a 3 V), è necessario eseguire prima una precarica (carica di mantenimento) per evitare che una corrente eccessiva causi un eccessivo surriscaldamento della batteria.

Composizione della resistenza interna della batteria al litio

La resistenza ohmica deriva principalmente dai materiali degli elettrodi, dall'elettrolita, dalla resistenza del separatore, nonché dalla resistenza di contatto dei collettori di corrente e delle connessioni a linguetta. È correlata alle dimensioni, alla struttura e ai metodi di collegamento della batteria.

La resistenza di polarizzazione, che emerge istantaneamente all'applicazione di corrente, rappresenta la tendenza cumulativa di varie barriere all'interno della batteria che impediscono agli ioni carichi di raggiungere le loro destinazioni. Questa resistenza può essere ulteriormente suddivisa in polarizzazione elettrochimica e polarizzazione di concentrazione.

Attualmente, la batteria al litio 18650 ha una resistenza interna di circa 12 milliohm, mentre quelle tipiche si aggirano tra i 13 e i 15 milliohm. Dato che l'impedenza può influire sulle prestazioni della batteria, in generale, 50 milliohm sono considerati valori normali. Tra 50 e 100 milliohm, la batteria rimane funzionale, ma le prestazioni iniziano a peggiorare. Superando i 100 milliohm, è necessario l'uso parallelo, mentre valori superiori a 200 milliohm sono praticamente inutilizzabili.

Impatti della resistenza interna delle batterie al litio

Tutti i fattori che impediscono il movimento degli ioni e degli elettroni di litio da un polo all'altro all'interno della batteria al litio contribuiscono alla sua resistenza interna. Idealmente, minore è la resistenza interna, meglio è. Una resistenza interna più elevata comporta maggiori perdite termiche, impedendo scariche ad alta corrente. Inoltre, un'elevata resistenza interna comporta il surriscaldamento della batteria durante l'uso. Temperature elevate possono causare un calo della tensione di scarica della batteria e una riduzione della sua durata, compromettendone gravemente le prestazioni e la durata. In casi estremi, ciò può persino comportare il rischio di combustione spontanea.

6. Tasso di autoscarica

Si riferisce alla percentuale della capacità totale che si perde automaticamente quando la batteria non viene utilizzata per un certo periodo di tempo. Generalmente, il tasso di autoscarica delle batterie agli ioni di litio a temperatura ambiente è compreso tra 5% e 8%.

6.1 In che modo la velocità di scarica influisce sulla capacità della batteria?

La velocità di scarica influisce direttamente sulla capacità effettiva di una batteria. In particolare, una velocità di scarica più elevata può ridurre la capacità disponibile, poiché la batteria potrebbe non essere in grado di mantenere la sua capacità nominale massima durante scariche rapide. Pertanto, quando si valuta la capacità utilizzabile di una batteria, è necessario tenere conto della velocità di scarica.

6.2 Qual è la velocità di scarica delle batterie delle biciclette elettriche?

La velocità di scarica delle batterie per biciclette elettriche può variare in base alla composizione chimica e al design della batteria. Le biciclette elettriche utilizzano in genere batterie agli ioni di litio per la loro elevata densità energetica e le loro prestazioni. Queste batterie generalmente presentano una velocità di scarica che va da 1 a 4 ampere o anche superiore. Ad esempio, una batteria da 1 Ah con una velocità di scarica di 10 ampere può fornire una corrente di scarica continua di 10 ampere, mentre una velocità di scarica di 4 ampere consentirebbe una corrente di scarica continua di 40 ampere.

6.3 Cosa si intende per elevata velocità di scarica per le batterie al litio?

Per le batterie al litio, una velocità di scarica specifica generalmente considerata "alta" parte da 1°C e oltre. Tuttavia, è importante notare che ciò che viene considerato un'elevata velocità di scarica specifica può variare in base al design della batteria, alla sua composizione chimica e all'applicazione prevista.

6.4 Qual è una buona velocità di scarica per le batterie?

Il valore di scarica ottimale per una batteria dipende dalle esigenze specifiche della sua applicazione. In genere, una velocità di scarica che facilita un trasferimento di potenza efficiente senza sollecitare eccessivamente la batteria è considerata ottimale. Si consiglia di consultare le specifiche e le linee guida del produttore per determinare la velocità di scarica ottimale per una specifica batteria.

6.5 Come si calcola il C-rate?

C-rate (C) = Corrente di carica o scarica in ampere (A) / Capacità nominale della batteria (Ah)

Analizziamo un esempio con una batteria al litio da 100 Ah:

1C rappresenta una corrente di scarica di 100 ampere, il che significa che la batteria può fornire una scarica continua di 100 ampere per un'ora. In parole più semplici, può gestire una corrente di carico di 100 ampere per 60 minuti.

Se aumentiamo la corrente di scarica a 2C, la corrente di scarica diventa di 200 ampere. Ciò significa che la batteria può ora fornire una corrente di scarica di 200 ampere, ma per una durata ridotta. A una corrente di scarica di 2C, la batteria può sostenere una corrente di carico di 200 ampere per 30 minuti o mezz'ora.

D'altra parte, riducendo il valore di corrente di scarica a 0,5 C si ottiene una corrente di scarica di 50 ampere. A un valore di corrente di scarica di 0,5 C, la batteria può erogare una corrente di scarica di 50 ampere, prolungando così il periodo di scarica. In queste condizioni, la batteria può supportare una corrente di carico di 50 ampere per 2 ore o 120 minuti.

Nella valutazione delle prestazioni e della capacità delle batterie al litio, il valore C si rivela un fattore cruciale poiché determina sia la corrente di scarica disponibile sia la durata di scarica corrispondente.

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