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3.6V vs 3.7V : il voltaggio di una singola cella Ioni-Litio

C'è grande confusione riguardo al voltaggio di una cella ioni di litio. La differenza tra una cella da 3.6V ed una da 3.7V è importante od è solo questione di marketing?

Sappiamo che il voltaggio di una cella , dipende dalla chimica con cui è costruita

In particolare per le celle agli Ioni di Litio:

 

ChimicaTensione di una singola cella
Li-ion 3.6/3.7V
Li-Po 3.6/3.7V



Le celle litio, possono avere una tensione di 3.6 o 3.7 volt ed anche maggiori.

Questo valore è semplicemente una tensione nominale, in quanto in realtà una cella carica presenta circa 4.2V mentre viene considerata scarica intorno ai 3.0V (anche meno!). Per sapere tutto sul voltaggio di cella, a circuito aperto e chiuso (OCV e CCV)vai qui

La lieve differenza di tensione nominale, 3.6 o 3.7V, è dovuta semplicemente alla tecnologia impiegata per la costruzione del catodo: la singola cella può dunque avere una tensione leggermente superiore od inferiore. E' bene chiarire subito che per le applicazioni elettroniche non fa alcuna differenza: 3.6V o 3.7V sono assolutamente equivalenti e rappresentano solo un voltaggio nominale, un reference point che il costruttore deve dare alla cella.

Ecco un esempio di due famose celle Li-ion, in formato 18650, come quelle che si trovano in molte batterie per notebook o per reflex, camcorder etc...:

celle 3,6V e 3,7V voltaggi batteria

Il dispositivo in cui le uso come alimentazione, non si accorge neppure della differenza.

Veniamo ora ai perchè.
Le celle agli ioni di litio sono incredibilmente importanti per il mercato, in quanto utilizzate ampiamente dai dispositivi tecnologici agli autoveicoli elettrici.
Marcare una cella 3.7V anzichè 3.6V può fare la differenza a livello di marketing e questo perchè teoricamente, a parità di capacità una cella da 3.7V fornisce più energia di una da 3.6V.

Anche se la differenza è lieve, supponiamo di avere due celle, entrambe da 2200mAh:

3.6V vs 3.7V voltaggio cella batteria

Come si vede ho quasi un 3% in più di energia nella cella da 3.7V. La differenza non aumenta se uso celle di capacità maggiore, per esempio 2600mAh o 3200mAh:

3.6V vs 3.7V voltaggio cella batteria

Ma è vero?
La tensione nominale di una cella ioni litio è 3.6V. Quando una cella è completamente carica, esibisce circa 4.2V. Quando si applica un carico e la si scarica (a corrente costante 1C) la tensione inizia a scendere. Quando la tensione arriva ad un valore utile di 3V, la cella è da considerarsi scarica. Vedi curve di scarica. Il valore medio tra 4.2 e 3V è appunto 3.6V, quindi tradizionalmente i costruttori di celle hanno sempre utilizzato questo valore, indicandolo come tensione nominale.
Questo vale per una cella Litio-Cobalto. Se considero una cella Litio-Manganese, che ha una minore resistenza interna, questo valore medio è circa 3.7V.

3.7V voltaggio nominale cella batteria scarica

Per avere 1/10 di volt in più, posso caricare la cella poco oltre i 4.2V o scaricarla poco sotto i 3V.
Il marketing da a questo una certa importanza, ma in realtà non è così per due motivi:

  • La differenza è davvero esigua e non sempre così netta.

    Le celle non sono tutte uguali, nonostante il processo industriale ed il controllo qualità, le capacità dichiarate non sono troppo precise e neppure i voltaggi di due celle coincidono perfettamente.


  • Il voltaggio nominale è sempre 3.6/3.7V

    Le celle ioni litio sono da considerarsi, nella maggior parte dei casi, con un voltaggio nominale di 3.6/3.7V, è del tutto indifferente. Anche la distinzione riguardo alla chimica del catodo, Litio-cobalto o Litio-Manganese, è solo una prima indicazione ed è ormai del tutto generica: non si può dire quale chimica impieghi il catodo, semplicemente leggendo la tensione dichiarata.


  • BMS e Discharge end voltage

    Quando monto la cella in un pacco batterie c'è un battery management system (BMS), un circuito che si occupa di varie funzioni tra cui controllo della carica e della scarica, a decidere quale sarà il Cut-off voltage, ovvero la tensione di taglio sotto la quale considerare la cella come scarica.
    Questo valore può essere 3V ma può essere anche 2.7V o persino 2.5V, oltre ad essere una caratteristica della cella, chiamata Discharge end voltage. A questo punto potrei dire che la cella ha una tensione media di 3.3 o 3.5V e non 3.6 o 3.7. Tra l'altro più scarico la cella, più abbasso il voltaggio, maggiore capacità ottengo dalla cella stessa. Considero comunque 3.6/3.7 come tensione nominale, perchè è quella tensione dove la curva di scarica raggiunge un plateau, per la maggior parte del tempo. Infatti si tratta di una curva e non di una retta, quindi il valore medio va calcolato in modo opportuno.

scarica cella 18650 panasonic

Il discorso è quindi piuttosto complesso e non è certo la tensione nominale di 3.6V vs 3.7V a fare la differenza nella qualità di una cella.

A dimostrazione del fatto che la tensione nominale (3.6 o 3.7V) non ha alcuna importanza, ti faccio notare che sono in commercio celle con capacità notevoli anche da 3.6V:

celle 18650 3.6V 3600mAh

Celle Ioni Litio con voltaggi maggiori di 3.6 e 3.7V

Celle da 3.8V si stanno diffondendo, ed in alcuni casi si arriva a 4-4.2V dichiarati per la tensione di cella.Si tratta di celle piuttosto costose e quindi poco interessanti, se non in applicazioni estreme o di nicchia, come per esempio le torce LED portatili.

celle 18650 3.6V 3600mAh

Spesso questi voltaggi sono poco realistici e sono accompagnati da capacità dichiarate altrettanto clamorose, a dimostrazione che il marketing la fa da padrone ed un utente medio (il 99.999% dei Clienti), non ha mezzi ed attrezzature per testare la cella. In altri casi il produttore gioca sulla confusione tra voltaggio di ricarica e voltaggio nominale.

Non però è il voltaggio a fare il prezzo di una cella, bensì la capacità, la qualità generale ed altre specifiche. I produttori seri (LG, Panasonic, Samsung, Sanyo etc..) dichiarano sempre 3.6V o 3.7V come tensione nominale per le proprie celle.

Ioni di Litio: Chimica vs volt

Ecco una tabella che mostra diversi tipi di chimica agli ioni di litio e le relative tensioni di cella:

 

NomeChimicaTensione NominaleRange operativo
Litio Cobalto ossido LiCoO2 3.6V 3.0-4.2V
Litio Manganese ossido LiMN2O4 3.7/3.8V 3.0-4.2V
Litio Nickel Manganese Cobalto (NMC) LiNiMNCoO2 3.6/3.7V 3.0-4.2V o maggiore
Litio Ferro fosfato LiFePO4 3.2/3.3V 2.5-3.65V
Litio Nichel Alluminio ossido LiNiCoAlO2 3.6V 3.0-4.2V



Come si vede, oggi l'industria cerca di costruire sistemi ioni-litio molto complessi, dove il catodo è una combinazione di più elementi: questo non viene fatto per aumentare il voltaggio della cella (che non ha importanza) ma per ottenere un giusto compromesso tra le specifiche più importanti: <strong<costo, densità energetica, cicli di vita, performance e sicurezza....a seconda del campo di applicazione!

Celle in serie: la differenza aumenta nelle batterie

Quando metto in serie due o più celle agli ioni di litio, come accade in una batteria per dispositivi elettronici, digital camera, computer portatili etc.. otterrò:

  • 3.6V x 2 Celle = 7.2V oppure
  • 3.7V x 2 Celle = 7.4V

La differenza passa dagli 0.1V della singola cella...agli 0.2V della doppia cella.

Mettendo in serie 3 Celle, ottengo pacchi batteria da 10.8V oppure 11.1V etc...per approfondire ti invito a leggere questo articolo

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Letto 5316 volte Ultima modifica il Venerdì, 15 Luglio 2016 01:44
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