Batterie per il 21° secolo

Attualmente è la migliore fonte di energia per i moderni e potenti proiettori a LED e non c'è motivo di utilizzare altri tipi di batterie. Sono utilizzate dalla NASA nei satelliti, dalle case automobilistiche nelle auto elettriche per i loro chiari vantaggi: elevata capacità, peso ridotto, affidabilità.

Le batterie agli ioni di litio hanno il miglior rapporto tra capacità e peso (volume). Sono testate per uso industriale e sono sicure. Le celle sono leggere e immagazzinano una grande quantità di energia. Sono prodotte solo per essere ricaricate, quindi non inquinano l'ambiente come le batterie usa e getta. Durano molti anni senza complicazioni e, se ci si prende cura di loro nel modo giusto, non subiranno nemmeno un calo di capacità nel corso degli anni. Sono davvero affidabili: se le caricate, forniranno sempre energia.

Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) sono quasi esclusivamente di forma cilindrica, con una tensione di carica di 4,2 V e una durata di 500-1500 cicli completi. Esistono diverse dimensioni, ma il tipo più utilizzato è il formato 18650, una cella cilindrica con un diametro di 18 mm e una lunghezza di 65 mm. Più recentemente le auto elettriche hanno adottato il tipo 21700.

Parametri tecnici delle attuali batterie 18650

Tutte le batterie standard agli ioni di litio vengono caricate con l'algoritmo CC/CV fino a raggiungere una tensione finale di 4,2V. La tensione media, nominale, è di 3,6V (o 3,7V). Le batterie possono solitamente essere scaricate fino a 2,5V, mentre in precedenza arrivavano solo a 2,8V. Una tensione inferiore è pericolosa, si può distruggere la cella. La resistenza interna varia da 20 a 80 milliohm a seconda della marca e del tipo (a bassa o alta corrente).

La capacità massima di corrente è di circa 3450 mAh con un'energia immagazzinata non superiore a 12,4Wh. Con assorbimenti superiori, l'energia immagazzinata (e la capacità) diminuisce leggermente.

La batteria di solito consente un assorbimento massimo di corrente (corrente continua di scarica massima) di 3-10A, mentre le batterie ad alta corrente utilizzate negli utensili arrivano fino a 30A.

La batteria è in grado di fornire 500-1000 cicli completi prima che la capacità scenda al 70-80% del valore originale. La durata può essere prolungata (o l'invecchiamento rallentato) con una corrente di carica delicata (ad es. C/5), uno stoccaggio a lungo termine in uno stato di carica parziale (3,93 V = 70%) e l'utilizzo solo a temperature superiori a 0°C. Per saperne di più sull'estensione della vita utile, consultare il sito: www.luciferlights.net/li-ion-starnuti.

Le batterie funzionano anche in condizioni di freddo estremo, ad esempio a -20°C, ma questo tipo di utilizzo le distruggerà in modo irreversibile e graduale. Per saperne di più sull'uso a basse temperature: www.luciferlights.net/li-ion-v-mrazu

Lo stato di carica della batteria può essere misurato con un voltmetro; la tensione della cella fornisce un'indicazione abbastanza precisa dello stato di carica. Lo stato di carica può variare leggermente a seconda del produttore e della designazione della batteria. In generale, la seguente tabella indica lo stato di carica:

Vantaggi e svantaggi delle batterie agli ioni di litio rispetto alle batterie tradizionali

Rispetto alle batterie AA e AAA (NiMh, NiCd, ecc.) presentano numerosi vantaggi. Le batterie durano più a lungo (in genere molti anni), hanno una resistenza interna inferiore e sono costruite per elevati assorbimenti di corrente. La loro capacità non diminuisce significativamente in caso di carico elevato. Le batterie agli ioni di litio non devono essere formattate in alcun modo prima del primo utilizzo e possono essere utilizzate in qualsiasi momento e in qualsiasi stato di carica.

Le batterie agli ioni di litio hanno un'autoscarica molto bassa, possono rimanere a riposo per mesi e il loro stato di carica non cambia di molto.

Le batterie agli ioni di litio (formato 18650, 21700) offrono attualmente i più alti rapporti capacità-peso e capacità-volume. Le batterie NiMh sono nettamente peggiori (direi quasi "ordini di grandezza"), per cui a parità di energia immagazzinata ci si porta dietro un peso e un numero di batterie nettamente superiori.

Se c'è uno svantaggio, è che non è possibile acquistarle in tutto il mondo. Un altro svantaggio può essere rappresentato dal fatto che il vostro caricabatterie attuale difficilmente è in grado di caricare queste batterie, oppure che il batterypack si ricarica da solo con il proprio caricatore di rete tramite un cavo. L'ultimo svantaggio è il rischio maggiore di cortocircuitare intenzionalmente o danneggiare gravemente la batteria. Tuttavia, questo non accadrà mai con un uso normale e le celle di qualità sono davvero molto sicure.

Adatta anche per lunghi viaggi e spedizioni

Spesso veniamo contattati da persone che ci chiedono di scegliere una lampada frontale per una spedizione e che devono essere alimentate dalle classiche batterie AA. L'argomentazione è che si possono acquistare ovunque.

In realtà, le batterie agli ioni di litio sono perfettamente utilizzabili per chi si allontana dalla civiltà per 2-3 settimane. L'elevata capacità in un peso ridotto e l'alta efficienza delle nostre lampade frontali fanno sì che se si è parsimoniosi con la luce, questa durerà assolutamente più a lungo di qualsiasi altra lampada frontale con batterie AA. Un esempio è la lampada frontale Lucifer M, che nella sua modalità più bassa emette 25 lumen e dura 180 ore con una sola batteria. La luminosità di 25 lumen è spesso il massimo delle comuni lampade frontali in plastica, e si può camminare comodamente di notte con una tale luminosità. Le 180 ore dovrebbero durare 2-3 settimane, oppure con una batteria di riserva si possono raggiungere le 360 ore, cioè 15 giorni di luce continua o 30 giorni di luce notturna!

Ioni di litio protetti e non protetti

Lebatterie protette sono dotate di protezione da sottoscarica, sovrascarica e cortocircuito. Sono sempre ricavate da celle non protette con l'aggiunta di un circuito di protezione. Sono quindi leggermente più lunghe (2-4 mm) e più spesse (0,5-1 mm). Le celle protette sono solitamente sostituibili, cioè l'utente può maneggiarle, caricarle con un caricatore esterno ad albero e, come le altre batterie comuni, inserirle nell'alloggiamento della lampada. Le batterie protette sono offerte da molti produttori diversi; la qualità della batteria risultante dipende dalla qualità della cella originale e dalla qualità del circuito di protezione (ad esempio, da quanto è alta la resistenza aggiuntiva della protezione).

Lebatterie non protette sono spesso collegate in parallelo o in serie mediante scoring, quindi viene aggiunto un circuito di protezione comune all'intero pacco batteria. Il pacco batterie viene poi caricato tramite un cavo e le batterie non possono essere smontate in alcun modo nelle singole celle. Si tratta di uno schema di pacco batteria comune per i proiettori ad alta potenza, poiché con carichi elevati le batterie devono essere messe in serie, ad esempio 2S. In questo modo si ottiene una tensione più elevata e la corrente attraverso il cablaggio si dimezza.

Attenzione agli onnipresenti falsi!

I produttori cinesi sono soliti esagerare la capacità delle batterie. Sappiate che le batterie agli ioni di litio di qualità provengono esclusivamente da Panasonic (Sanyo), Samsung, LG e Sony. Solo questi 4 produttori sono in grado di produrre celle agli ioni di litio non protette con una capacità di prim'ordine. Quest'ultima attualmente (marzo 2020) significa i parametri:

• 258,3 Wh/kg a 0,5A di scarica
• 749,7 Wh/l con scarica a 0,5A

Questi parametri, molto simili, sono raggiunti dalle batterie 18650 Samsung INR18650-35E, Panasonic NCR18650B, Panasonic NCR18650GA, Sony US18650VC7 e LG MJ1 18650. Nessun altro produttore si avvicina a loro per capacità!

Le batterie di formato 21700 e 20700, che hanno proliferato soprattutto grazie all'elettro-automobilità (Tesla), ancora oggi non offrono un rapporto peso/capacità migliore rispetto alle 18650 standard, ma ci si avvicinano. Ad esempio, LG 21700 M50 5000mAh e Samsung INR21700-50E 5000mAh.

L'evoluzione della tecnologia agli ioni di litio e le previsioni per gli sviluppi futuri

La tecnologia degli ioni di litio ha avuto origine negli anni '80 e '90. Nel 1994, ad esempio, erano disponibili celle 18650 con un prezzo elevato e una capacità di soli 1100 mAh. Dal 2000, la tecnologia degli ioni di litio ha conosciuto un rapido sviluppo e un regolare aumento della capacità. Gradualmente, si è affermato lo standard di dimensioni delle celle cilindriche 18650 (18 mm di diametro, 65 mm di lunghezza) e le batterie sono entrate a far parte delle batterie dei computer portatili. Negli ultimi anni, lo sviluppo è rallentato fino a quasi fermarsi alla soglia di capacità di 3400-3500 mAh.

Solo negli ultimi anni sono emerse altre applicazioni significative degli ioni di litio. Grazie alla loro capacità sufficiente, si sono diffuse in massa nella mobilità elettrica (auto elettriche, scooter elettrici, biciclette elettriche, ecc.) e negli utensili elettrici portatili. Da tempo vengono utilizzate nei fari, ma rappresentano un'area minoritaria rispetto al numero totale di celle prodotte.

Attualmente, lo sviluppo delle batterie agli ioni di litio ha incontrato barriere fisiche che impediscono un ulteriore aumento della capacità e molti ricercatori stanno lavorando alla prossima generazione di batterie agli ioni di litio. Lo sviluppo delle cosiddette batterie "allo stato solido", cioè batterie senza elettrolita liquido e batterie con elettrodi di grafene, sembra molto promettente. Oggi (marzo 2020) non esistono batterie di questo tipo! Ma è realistico che possano comparire entro 3-5 anni. I ricercatori prevedono che la capacità potrebbe aumentare fino a un terzo. Sarei più cauto e pessimista in tutte le stime in cui si usa la parola "fino".

Altre fonti di informazione

https://batteryuniversity.com/learn/ - un'enorme fonte di informazioni sulle batterie agli ioni di litio
https://lygte-info.dk/info/indexBatteriesAndChargers%20UK.html - misurazioni approfondite della capacità di tutte le possibili batterie agli ioni di litio