Batterie ai polimeri di litio

Il costante sviluppo della tecnologia influisce favorevolmente su molti aspetti della vita delle persone. La necessità di disporre di fonti di energia ad alte prestazioni con un buon equilibrio tra sicurezza, costi e prestazioni ha portato alla creazione di elementi ai polimeri di litio.

Che cos'è una batteria ai polimeri di litio

Le batterie ai polimeri di litio sono alimentatori galvanici che utilizzano elettroliti con materiali polimerici saturi di litio.

La tecnologia ai polimeri di litio è diventata una nuova tappa nello sviluppo di fonti di energia agli ioni di litio, che ha ridotto i costi della loro produzione e ha permesso la creazione di batterie in miniatura e flessibili.

Al momento dell'acquisto e dell'utilizzo di tali batterie, è necessario comprendere i segni applicati ad essi, che presenta le seguenti caratteristiche:

• la capacità della batteria è indicata in mAh;
• il numero accanto alla lettera inglese S nella marcatura indica il numero di singoli elementi (lattine) nella batteria, ognuno dei quali ha una tensione nominale di 3,7 volt e un massimo di 4,2 volt;
• il numero accanto alla lettera C indica la massima corrente in uscita in unità di C. La massima corrente di scarica in milliampere all'ora è uguale alla capacità della batteria moltiplicata per questo valore;
• il numero vicino alla lettera P indica il numero di lattine collegate in parallelo. Quando si usa una lattina, questo valore di solito non è indicato.

Pertanto, la designazione 2600 mAh 3S 20C indica una batteria ai polimeri di litio da 2600 mAh con una tensione nominale di 11,1 volt (massimo 12,6 volt), con tre banchi collegati in serie e una corrente di scarica consentita di 52 ampere (2600x20 = 52000 mA).

Come è la produzione di batterie ai polimeri di litio

Nella produzione di alimentatori ai polimeri di litio, questa tecnologia viene utilizzata:

1. La sospensione viene applicata in modo controllato con i materiali attivi del catodo e dell'anodo (due diversi processi) sulla superficie del foglio di alluminio o rame, che funge da collettore di corrente.
2. La lamina con il materiale applicato viene essiccata, tagliata in elementi delle dimensioni e della forma richieste.
3. Viene eseguita la preparazione di un separatore di elettroliti polimerico, che viene quindi posizionato tra gli strati di lamina con i materiali attivi del catodo e dell'anodo.
4. La batteria multistrato viene assemblata, sigillata e asciugata.
5. Quando si utilizza un separatore polimerico che richiede inclusioni di elettrolita in gel, viene riempito con la giusta quantità di liquido elettrolitico.
6. L'installazione di cuscinetti di contatto, l'imballaggio in un guscio protettivo e il taglio delle sue parti sporgenti.
7. I terminali della batteria esterna sono installati.
8. Vengono eseguiti un ciclo di controllo di carica / scarica e test.
9. Vengono effettuati l'abbattimento, l'ordinamento per capacità e il disegno delle designazioni appropriate.
10. Se necessario, i fili sono saldati ai terminali della batteria.
11. Viene eseguito il controllo di qualità, l'imballaggio delle celle della batteria nella custodia, che viene applicato il contrassegno e l'imballaggio necessari.

Il principio di funzionamento e la batteria ai polimeri di litio del dispositivo

Il principio di funzionamento delle batterie ai polimeri di litio si basa sull'uso di un effetto semiconduttore nelle sostanze polimeriche con inclusioni di ioni elettroliti. L'aggiunta di elettrolita ai polimeri provoca un aumento della loro conduttività ionica mantenendo le proprietà isolanti della plastica rispetto agli elettroni.

La forza elettromotrice in relazione agli ioni di litio si verifica a seguito di una reazione chimica reversibile tra l'anodo (più) del carbonio (di solito grafite) e il catodo (meno) di cobalto, ossido di vanadio o manganese, posto in un elettrolita polimerico con sali di litio.

Esistono tre tipi di elettroliti polimerici:

1. Gli elettroliti polimerici completamente asciutti, che sono di plastica con l'aggiunta di sali di litio, forniscono una bassa corrente a temperatura ambiente, insufficiente per la maggior parte dei dispositivi moderni e sono più costosi delle normali batterie agli ioni di litio.
2. Gli elettroliti polimerici gelatinosi, che sono elettroliti polimerici secchi intervallati da solventi plastificanti, hanno indicatori accettabili di capacità, resistenza e costo attuali e sono spesso utilizzati nella pratica.
3. Soluzioni non acquose di sali di litio distribuite in una matrice di polimeri microporosi per assorbimento.

Le batterie Li Po vendute in serie sono in realtà ibridi che combinano non solo elettrolita polimerico secco puro, ma anche una piccola quantità di elettrolita gel, che contiene anche fonti di ioni di litio.

L'aggiunta di inclusioni di elettrolita di gel in un elettrolita polimerico solido aumenta la sua conduttività ionica e le caratteristiche elettriche, in particolare la corrente operativa aumenta al valore necessario per la maggior parte dei moderni dispositivi di piccole dimensioni.

Batteria ai polimeri di litio: pro e contro

Gli alimentatori ai polimeri di litio presentano i seguenti vantaggi:

• elevata densità energetica in relazione alla loro massa, 4-5 volte superiore a quella delle batterie al nichel-cadmio e 3-4 volte superiore a quella delle fonti di energia all'idruro di nichel-metallo;
• bassa corrente di autoscarica ed alta efficienza di corrente;
• la capacità di creare prodotti flessibili e molto sottili;
• mancanza di effetto memoria;
• mantenere la tensione entro limiti accettabili durante una scarica di lavoro;
• un'ampia gamma di temperature consentite durante il funzionamento (da -20 a +40 gradi).

Le batterie ai polimeri di litio presentano alcuni svantaggi:

• pericolo di incendio in caso di sovraccarico / surriscaldamento. Queste batterie richiedono l'uso di elettronica di protezione, che controlla la corrente e la temperatura di carica, nonché uno speciale algoritmo di carica;
• l'effetto dell'invecchiamento, che porta a una riduzione della capacità durante la conservazione e il funzionamento a lungo termine (si ritiene che la batteria perda ogni anno fino al 20% della capacità);
• guasto durante scarica profonda (inferiore a 3 volt);
• paura di surriscaldarsi oltre i 60 gradi e sovraccaricare sopra i 4,2 volt (con una tensione superiore a 4,5 volt, è possibile un'esplosione);
• l'uso di un guscio sottile (solitamente sotto forma di un foglio) in alcune di queste batterie riduce il costo delle celle Li Pol, ma allo stesso tempo riduce la loro resistenza.

Dove vengono utilizzate le batterie Li Pol?

Grazie alla sua leggerezza e alla sua elevata potenza, questo tipo di alimentatore è ampiamente utilizzato per fornire energia a dispositivi di piccole e grandi dimensioni, tra cui:

• telefoni cellulari e smartphone;
• modelli radiocomandati, quadrocopter, microplani;
• utensile elettrico;
• tecnologia digitale, ultrabook;
• auto elettriche.

Linee guida per l'uso della batteria Li Pol

Per garantire il livello di sicurezza necessario e prolungare la durata delle batterie sane, è necessario rispettare le seguenti regole:

1. in presenza di danni, rigonfiamento delle batterie, non possono essere utilizzati, ma devono essere smaltiti;
2. le batterie devono essere caricate con un caricabatterie di qualità sotto supervisione, evitando il surriscaldamento della batteria. Se durante la ricarica si verificano odori di bruciore, gonfiore, accensione, è necessario arrestarlo immediatamente e scollegare la batteria dal caricabatterie;
3. è meglio caricare su una superficie non combustibile, ad esempio su una piastrella di ceramica o un piatto di porcellana, dopo aver caricato completamente la fonte di alimentazione, è meglio lasciarlo raffreddare e solo allora iniziare a usarlo;
4. una scarica inferiore a 3 volt, surriscaldamento o raffreddamento eccessivo, che riducono la capacità e il numero totale di cicli di carica-scarica, non devono essere consentite;
5. la durata più lunga delle celle LiPo si ottiene mantenendo il livello di carica al 45%;
6. La migliore modalità di ricarica per batterie LiPo è fornita dai caricabatterie Sony per circa tre ore. Si svolge in tre fasi:
   • Innanzitutto, per circa un'ora, la carica viene eseguita fino al 70% con una corrente continua di 0,5-1 dall'uscita corrente della batteria a una tensione di 4,2 volt;
   • Ricarica con una durata da 1 ora al 90% con una tensione non superiore a 4,2 volt con una corrente che diminuisce gradualmente (fino a circa 0,2 dall'uscita di corrente);
   • Nella terza fase, la ricarica viene eseguita per un'ora al 100% con una piccola corrente in costante calo.

I caricabatterie economici terminano la carica nel primo stadio, quando raggiungono una tensione di 4,2 v, quindi la batteria non raggiunge la piena capacità.

• Evitare urti alla batteria, cortocircuiti o scariche con correnti molto elevate, sovraccarico superiore a 4,2 volt per componente della batteria della cella - tutto ciò provoca un incendio;
• se si utilizzano batterie composite di più celle Li Pol, è meglio caricarle separatamente o utilizzare una carica di equalizzazione speciale con bilanciamento per ogni cella. Il principio di funzionamento di un tale dispositivo è di arrestare la carica di singoli elementi quando raggiungono una tensione di circa 4,17 volt;
• Prima di mettere in funzione nuove batterie, è meglio calibrarle con una doppia carica e scarica completa.

In alcune batterie Li Pol, una scarica inferiore a 2,5 volt può portare alla metallizzazione del litio, che porta alla creazione di ponti conduttivi all'interno della batteria e al corto circuito. Quando si carica una tale batteria, si verifica un riscaldamento incontrollato, che può portare all'esplosione di una tale fonte di alimentazione. Pertanto, le batterie in cui la tensione è scesa al di sotto di un livello critico di 3 volt sono meglio non usare e se la tensione scende a 2,5 volt e al di sotto, devono essere smaltite.

Come conservare le batterie ai polimeri di litio

È consigliabile conservare le batterie LiPo cariche in custodie protettive a temperatura ambiente durante la ricarica a un livello di 3,6-3,8 volt.

Prima di conservare le celle LiPo, si consiglia di caricarle fino al 40-50%, scollegate dai dispositivi che alimentano e periodicamente, almeno una volta ogni sei mesi, controllare il livello di carica.

Smaltimento delle batterie ai polimeri di litio

Lo smaltimento degli alimentatori LiPo è di particolare importanza a causa del loro elevato rischio di incendio. Sono meno tossici delle batterie al nichel-cadmio, ma contengono ancora sostanze nocive per l'ambiente.

Per lo smaltimento completo e sicuro delle batterie ai polimeri di litio, è necessario osservare i seguenti requisiti:

• Le batterie scariche vengono smaltite in contenitori di plastica con soluzione di acqua salata (circa mezzo bicchiere di sale per 1 litro di acqua) per circa 2 settimane (fino all'arresto della produzione di gas) in un edificio non residenziale. Dopo ciò, possono essere gettati via con la spazzatura ordinaria;
• Prima dello smaltimento, le batterie devono essere scariche ad almeno un volt (questo può essere fatto con una lampadina come carico);
• se la custodia della batteria è danneggiata, non è necessario scaricarla, ma deve essere smaltita in una soluzione di sale d'acqua;
• se la scarica è prodotta da una corrente più che consentita, collegata al valore della massima corrente in uscita C, la batteria deve trovarsi in un secchio di sabbia o in un altro posto con protezione contro gli incendi;
• Non è consentita la distruzione meccanica di batterie non trattate in soluzione salina, che potrebbe provocare un incendio. Particolarmente pericolosi a questo proposito sono le batterie con un catodo di cobalto.