Sempre più sistemi diventano mobili, perciò le batterie diventano parti sempre più integranti del progetto. Sono disponibili in tutte le forme, dimensioni e capacità, ma non esiste la batteria perfetta per tutte le sfide.
Le soluzioni chimiche sono molto diverse tra loro, per questo gli ioni di litio potrebbero non essere sempre la soluzione migliore. In questo articolo, compariamo batterie agli ioni di litio, a piombo acido e a nichel-metallo idruro, evidenziando i vantaggi di ogni soluzione e le diverse aree nelle quali eccellono. Partiamo dalle soluzioni chimiche meno dense di energia per arrivare a quelle più dense in relazione al peso. La densità di energia si misura in Wh/Kg o Wh/L, che indicano la quantità di energia immagazzinata in relazione al peso o al volume.
Piombo acido
Al gradino più basso della scala, per densità energetica, troviamo le note e tradizionalmente indicate come affidabili batterie al piombo acido. Le batterie al piombo acido vengono introdotte intorno al 1859 e costituiscono la soluzione a batteria ricaricabile più diffusa. Le batterie a piombo acido sono generalmente disponibili a 12, 6 o 2V per cella e presentano diverse capacità Wh, in modo da poter essere impiegate in vari modi, dalle piccole motociclette alle automobili, fino agli enormi gruppi di batterie che supportano le torri telefoniche in caso di perdita di energia. Uno dei vantaggi principali delle batterie a piombo acido risiede nell'alta densità di potenza, unica in quanto a densità energetica. Quando un dispositivo presenta un'alta densità di potenza, può sopportare prelievi di alta corrente per un determinato periodo di tempo. Questa alta capacità di portata di corrente ha contribuito alla grande diffusione delle batterie a piombo acido nei veicoli, a supporto dell'avviamento di motori che variano da 160A, nei motori a gas a 4 cilindri, a 650A, per i motori diesel a 8 cilindri.
Una batteria a piombo acido può offrire ottime performance, se installata nelle corrette applicazioni, ma presenza anche importanti svantaggi. Mentre la densità di potenza è alta, la densità energetica è bassa, il che significa che, rispetto ad altri sistemi energetici portabili, occupa più spazio e pesa di più. Nelle applicazioni come gli smartwatch è impossibile collegare un'enorme e pesante batteria al piombo, mentre per i veicoli potrebbe non essere un problema. La batteria a piombo acido viene utilizzata quando il sistema non ha grossi limiti di spazio o peso, ma ha bisogno di una grande capacità di portata di corrente e di una fonte di energia a batteria di lunga durata. Un altro vantaggio delle note batterie a piombo acido consiste nell'ampio range di temperature alle quali funzionano. Un pacco a piombo acido è generalmente in grado di gestire temperature più alte e più basse, rispetto alle altre batterie, mantenendo un corretto funzionamento.
Nichel-metallo idruro / Nichel-cadmio
Un gradino più su, sulla scala della densità energetica, troviamo le batterie a nichel-metallo idruro e nichel-cadmio. Le batterie NiMH e NiCD hanno le stesse capacità, ma le celle NiCD sono state sostituite dalle NiMH, perché le prime sono state bandite dalle normative europee, eccetto per determinati utilizzi, per via della loro tossicità. Le batterie NiMH presentano anche una migliore densità energetica, rispetto alle NiCD, ma sono generalmente meno resistenti ai sovraccarichi e hanno un tasso di auto-scaricamento maggiore, il che significa che offrono una minore durata di archiviazione, prima di dover essere ricaricate. Entrambe le sostanze offrono circa 1,2V per cella e una buona capacità di gestione della corrente.
Grazie alla maggiore densità energetica rispetto alle batterie a piombo acido, le NiCD e NiMH sono state impiegate largamente nei sistemi portatili, specialmente negli strumenti energetici portatili che richiedono una buona uscita di corrente. Nei sistemi che presentano limiti di peso e spazio, ma che necessitano di un buona uscita di corrente, è possibile ottenere risultati soddisfacenti utilizzando le celle NiMH. I principali motivi per cui si preferisce utilizzare le NiMH anziché gli ioni di litio riguarda i costi e il ciclo di vita, ma le nuove tecnologie applicate alle batterie riducono l'importanza di entrambi i fattori.
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Batterie agli ioni di litio
L'ultima, non per importanza, soluzione è rappresentata dalle batterie a ioni di litio, commercializzate a partire dai primi anni '90. La denominazione "a ioni di litio" potrebbe essere fuorviante, visto che indica una serie di composti chimici diversi tra loro, ma caratterizzati tutti da un anodo a base di litio e un catodo di un altro materiale. L'ottimizzazione dei materiali in tali celle ha richiesto molto lavoro, anche perché queste batterie sono utilizzate in molte soluzioni, ma è sempre bene valutarne gli svantaggi, prima di effettuare la propria scelta. Attualmente, le celle a ioni di litio sono le batterie con maggiore densità energetica, sono ampiamente disponibili e utilizzate per le apparecchiature elettroniche portatili. Le celle presentano una tensione tra i 3,6 e i 3,8V, ma hanno una limitata capacità di gestione dell'alta corrente.
Alcune celle cilindriche si limitano a tassi di esaurimento di 0,7 - 1 C, dove C indica la capacità. Una batteria a 1000mAh avrebbe un tasso di esaurimento di 1C a 1A. Questa limitata capacità di gestione della corrente impedisce alle celle a ioni di litio di essere impiegate in articoli per l'alimentazione come gli strumenti energetici, ma le rende perfettamente adatte all'elettronica di largo consumo, dove sono infatti la soluzione più diffusa. I cambiamenti strutturali e della composizione chimica hanno portato a un forte miglioramento delle capacità di queste celle, che ora possono andare da 5 a 20 C. Queste celle ad alti tassi stanno diventando diffuse nei sistemi aerei, come i veicoli multirotore. Attualmente, per la maggior parte dei sistemi portati è consigliabile utilizzare soluzioni a base di litio, perché più leggere e flessibili dal punto di vista progettuale, sebbene siano generalmente più costose, rispetto alle soluzioni a piombo acido o NiMH.
Un'ultima nota sulle soluzioni a base di litio: non gestiscono bene lo stress, quando si caricano e scaricano. Se una cella al litio viene sottoposta a stress e non è adeguatamente protetta, potrebbe provocare un incendio o un'esplosione, come successo recentemente ai Boeing 787 Dreamliner. Per risolvere questo problema, è necessario che il progetto che utilizza celle al litio garantisca la protezione maggiormente, rispetto a quanto farebbe con batterie NiMH o a piombo acido.
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Ecco quindi una veloce panoramica sulle tre soluzioni chimiche più diffuse nel mondo dell'energia portatile. Il piombo acido è pesante e ingombrante, ma affidabile ed economico. Le NiMH sono più compatte e sono in grado di gestire alti carichi di corrente, ma hanno problemi di memoria. Gli ioni di litio rappresentano la soluzione più piccola e innovativa, ma anche la più costosa e impegnativa dal punto di vista progettuale. Valutando pro e contro di ogni opzione, si è in grado di decidere quale sia la batteria più adatta al proprio progetto.
