Batterie for dummies
Ringraziate Mr. Yod senza il quale questo topic non esisterebbe
Tempo fa, nell'angolo della pirateria domestica, risposi a un utente che chiedeva informazioni sulle batterie al litio. Mi son fatto prendere la mano ed è venuto fuori un wall of text niente male, che tosto vi ripropongo qua, così c'è un topic in cui si parla solo di questo e tutti possono porre le proprie domande. Per il momento il tema è appunto sulle batterie al litio, ma se volete sapere qualcosa sugli altri tipi chiedete e vi sarà detto
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Ci sono molte ipotesi discordanti sul trattamento delle batterie, ma la maggior parte non è basata su nozioni scientfiche. Vediamo di fare chiarezza con un po' di fatti:Spero che tutto ciò chiarisca i vostri dubbi
- Le batterie per computer, e quelle di vari altri gadget con richieste energetiche più o meno elevate, sono composte tipicamente da più celle. Una cella agli ioni di litio o ai polimeri di litio (Li-Ion oppure Li-Po; elettricamente funzionano nello stesso modo) ha una tensione nominale di 3.7V (può cambiare a seconda dello stato di carica, ma si considera un valore medio per semplificare i calcoli); le batterie da computer tipicamente hanno tensioni multiple di 3.7: 7.4V, 11.1V, 14.8V. Ogni tanto (spesso in batterie più vecchie) si considera invece il numero 3.6V, con i multipli 7.2, 10.8, 14.4. Ai fini pratici non c'è alcuna differenza.
- Le celle possono essere collegate in serie (aumentando la tensione), in parallelo (aumentando la capacità), o in configurazione simmetrica serie-parallelo (aumentando entrambe). Una combinazione di più celle costituisce una batteria. Volendo essere pedanti è quindi sbagliato chiamare "batterie" le classiche pile stilo, in quanto sono singole celle. Invece le batterie a 9V sono effettivamente batterie, contenendo tipicamente 6 piccole celle da 1.5V. Di tutto questo non frega niente quasi a nessuno, ma ve lo dico lo stesso così capite meglio i seguenti punti.
- La chimica LiIon è scarica a 3V per cella, e completamente carica a 4.2V. Farla andare sotto i 3V arreca danno a seconda di quanto sotto va e di quanto a lungo la si tiene sotto. Farla andare oltre i 4.2V causa un degrado rapido, che si traduce in una diminuzione di cicli a seconda di quanto si va oltre (passano da alcune centinaia a alcune decine, proseguendo passano a numero singolo). Se si va oltre i 4.5V la chimica LiIon va in thermal runaway, che è un modo originale per dire "fa bum". Onde evitare che vada a fuoco tutto le celle di cui sono fatte le batterie da computer (nella maggior parte dei casi si tratta di tipo 18650) hanno una protezione passiva: se la pressione interna oltrepassa un certo limite una specie di valvolina apre il circuito e disabilita la cella definitivamente. Questa rimane comunque una misura d'emergenza, e sono capitati casi in cui non ha funzionato. Inoltre i portatili più compatti, e penso tutti gli Apple, usano celle proprietarie ai polimeri più efficienti ma prive di questa misura di sicurezza (perchè contenute in sacchetti di plastica invece che contenitori metallici).
- Ne consegue che i caricabatterie per LiIon non vanno mai, a meno di drastici e immediati problemi di design che mai supererebbero la fase di testing, oltre i 4.2V per cella. Quindi quanto riferito dallo Zio:
non è necessario. Si può tenere una batteria attaccata per mesi di fila senza che questa si sovraccarichi.Originariamente Scritto da Lo Zio
- In buone condizioni di salute una cella ricaricabile al litio perde talmente poca carica nel corso del tempo che si può dire che, a fini pratici, non è soggetta ad auto-scarica. Tuttavia le batterie dei gadget e dei computer comprendono sempre dei circuiti di carica e stabilizzazione; il loro compito è di assicurarsi che tensioni e temperature rimangano al corretto livello onde evitare sovraccarichi o instabilità tra le celle collegate in serie. Questi circuiti richiedono un minimo di energia per funzionare; idealmente la quantità richiesta è molto poca, e idealmente dovrebbero auto-disattivarsi se la tensione delle celle diventa troppo bassa. Non tutti i produttori però utilizzano circuiti di buona qualità, e quelli scarsi spesso non si spengono quando dovrebbero e consumano troppa energia. Questo si traduce in batterie che perdono carica nel corso del tempo.
- Ne consegue che se si scarica completamente la batteria e poi ci si dimentica di ricaricarla è possibile che la tensione per cella vada sotto i critici 3V. In queste condizioni le celle si degradano, ed è possibile che ricaricandole ad alta velocità diventino instabili e vadano in thermal runaway (bum). In realtà se non sono andate molto sotto applicando una corrente di carica molto bassa è spesso possibile recuperarle e continuare a usarle con solo una lieve perdita di capacità, ma bisogna saperlo fare aprendo la batteria e bypassando il circuito di carica. Comunque vista la potenziale insicurezza della situazione, se vanno sotto i 3V i circuiti di protezione si rifiutano di ricaricare la batteria. L'utente normale non può fare altro che cambiarla.
- In condizioni tipiche di utilizzo (batteria spesso carica, temperature di esercizio normali) ci si può aspettare che una batteria LiIon perda circa il 20% della sua totale capacità ogni anno. La qualità delle celle influisce molto, ovviamente, con celle che ancora arrancano semi-utilmente dopo 10 anni (ne ho alcune e posso testimoniare personalmente) a celle che sono totalmente inutilizzabili dopo solo uno (idem).
- Temperatura e stato di carica influiscono molto sulla degradazione nel corso del tempo. Il livello di carica in cui una cella LiIon si degrada di meno è 40% (tensione per cella senza sforzo: approssimativamente 3.8V); la temperatura è attorno ai 0 gradi. Qualsiasi deviazione aumenta la degradazione.
- Ne consegue che se si prevede di non utilizzare una batteria LiIon per parecchio tempo è saggio scaricarla al 40% e poi metterla in frigo (non in freezer, in cui le temperature sono ben inferiori ai 0°C). In questo modo si mantiene al minimo assoluto il degrado della chimica Li-Ion, ovvero attorno al 2-4% annuo. Ovviamente è bene tirarla fuori ogni tanto e controllare che il circuito interno non l'abbia scaricata sotto il 40%. Nel caso va caricata leggermente finchè non raggiunge il 40% di nuovo.
- Le celle LiIon nuove hanno bisogno di circa una decina di cicli per "entrare in regime" e dare il massimo di cui sono capaci. Non si tratta tuttavia di una enorme differenza; non ho dati ufficiali alla mano, ma da quanto ho letto in giro questi cicli di rodaggio ne migliorano la capacità dal 10% al 20%. Ovviamente la capacità ufficiale si riferisce al massimo possibile, appena finito il rodaggio prima che la cella cominci a degradarsi significativamente.
- Le celle LiIon hanno un numero finito di cicli utili: tipicamente i dati ufficiali forniti dai produttori vanno dai 300 ai 500 prima che la batteria si degradi (in condizioni assolutamente ideali) all'80% della capacità iniziale. I cicli parziali le degradano meno dei cicli totali: se si scarica una batteria LiIon che normalmente durerebbe 500 cicli solo a metà e poi la si ricarica subito, durerà più di 1000 di questi cicli parziali. Quanto di più, ovviamente, varia a seconda della qualità delle celle.
- Tuttavia qualsiasi utilizzo le degrada, per quanto poco. Una batteria tenuta carica e utilizzata solo occasionalmente durerà sempre di più di una che, in pari condizioni, viene scaricata più spesso.
- Esistono chimiche diverse, sempre basate sul litio, che durano di più; per esempio il tipo di batteria LiFePO4, abbreviato anche come LiFe o LFP, tipicamente ha 2000 cicli di vita e una durata stimata di 10 anni, oltre alla capacità di erogare molta più corrente senza danneggiarsi. Si tratta anche di celle molto più sicure, in quanto anche sovraccaricandole brutalmente o danneggiandole fisicamente non prendono fuoco, e sopravvivono a trattamenti sorprendentemente crudeli. Purtroppo la densità energetica è pari alla metà delle normali celle LiIon, quindi difficilmente vengono utilizzate in applicazioni che non richiedano una massiccia erogazione di corrente o una vita molto superiore. Una configurazione dell'OLPC XO-1 prevedeva l'uso di LiFePO4.
ovviamente tutto è variabile a seconda dell'utilizzo fatto e delle condizioni, ma utilizzando questa come guida generica dovreste massimizzare la vita delle vostre batterie
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E' cosìUna domanda: da quanto hai scritto sembrerebbe confermata l'opinione, che già avevo sentito, secondo cui le Li-Ion conviene ricaricarle alla prima occasione in cui si ha una presa disponibile, anche se magari sono ancora all'80% della carica, ho capito giusto o non ho capito un'ostia?
Poi non è che bisogna rompercisi la testa... se non c'è una presa disponibile pazienza, non c'è bisogno di correre in giro cercando a tutti i costi un posto dove attaccare l'adattatore.
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La batteria si scarica leggermente in modo spontaneo per via del circuito interno (e ogni tanto ho avuto l'impressione che alcuni computer contribuiscano al processo, anche se spenti, per motivi a me ignoti). Il computer non fa che riportarla al 100% occasionalmente. Poichè la carica nell'ultimo 10% avviene molto più lentamente di quella fino al 90% (se volete saperne di più googlate "constant current constant voltage liion"), può sembrare dalla spia di carica che il computer ci stia buttando dentro chissà quanta energia, quando in realtà sta solo aggiungendo qualche goccia per riempire fino all'orlo. Alcuni computer o gadget addirittura non accendono neanche la spia di carica quando raggiungono il 90%.
Questo processo non capita spesso visto che la batteria si autoscarica molto lentamente (anche quando il computer "da una mano"). Nei miei computer ho notato l'accensione spontanea della spia di carica una volta ogni qualche giorno. Questa attività non è sufficiente a degradare la batteria in modo significativo.
Dal canto mio ho avuto un portatile Toshiba che per anni è stato il mio computer principale e a cui ho sempre tenuto la batteria attaccata. Nuovo la batteria durava circa 3 ore e mezza, forse 4 (la memoria mi tradisce). 6 anni dopo, quando l'ho passato a un'amica, era ancora in grado di farlo andare avanti per un'oretta e mezza. Dopo altri 2 anni il portatile è morto, ma la batteria era ancora utilizzabile (con prestazioni molto inferiori, ovviamente). Ora, a 10 anni da quando quel computer fu comprato, ogni tanto uso ancora le celle della batteria (che ho smontato e separato) per far andare qualche circuito a bassa potenza (LED, gadgettini piccoli, robe di questo genere). Non reggono più a correnti di carica o scarica elevate, ma usandole a correnti basse continuano a tenere una quantità sorprendente di energia.
Poi, oh, non sono il depositario della verità assoluta e c'è sempre la possibilità che io mi sbagli, o che altri computer facciano diversamente (anche se sarebbe estremamente stupido)... quindi se togliere la batteria quando lo usate con l'alimentatore vi fa star più tranquilli, fatelo pure. Io non penso che faccia del bene, ma di sicuro non fa del male. L'unico problema è che così si perde la capacità della batteria di fare da UPS se salta la corrente.
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A questi livelli, poco cambia
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E' vero che si degradano di più al 100% e di meno al 40%, ma è anche vero che è decisamente poco pratico tenerle costantemente al 40% in un oggetto che usi quotidianamente. Appunto suggerisco: se non si usa per un po' di tempo scaricarla al 40% e metterla in frigo... ma se la si usa spesso non ha senso. Comunque il livello di degradazione al 100% non è sufficiente da giustificare la tesi di chi dice che non andrebbero tenute sempre in carica.
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Concludo con questa chicca che mi è capitata in una chat:
<IronMew> I like it how in a Google search for "aa liion" the first result that says there's no such thing as a lithium-ion AA cell, and the second result wants to sell me some
<feep> Jesus christ it's aa liion
<feep> get in the car
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