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Tensione di una cella - volt - V - voltaggio di una batteria

Pile stilo da 1.5V, ricaricabili da 1.2V, batteria del cellulare da 3.7V, batterie dei notebook da 10.8V, power bank da 5V, batterie da 12V: quante tensioni!! Cerchiamo di capire meglio...

Tensione cella vs chimica

Una batteria qualsiasi è costituita da una o più celle. La singola cella ha una tensione (un voltaggio) che dipende dalla chimica impiegata per costruire la cella stessa. Esempi di tecnologie chimiche impiegate nelle celle sono: piombo-acido, Nichel-Cadmio, Nichel-metal-idruro, Ioni di Litio etc...

Ecco alcuni esempi di voltaggi della singola cella in base alla chimica:

 

NomeChimicaTensione cella
Zinco Aria Zn-O2 1.2V
Nichel-Cadmio Ni-Cd 1.25V
Nichel-idruro mettallico Ni-MH 1.25
Alcalina ZnMnO2 1.5V
Ossido d'argento ZnAg2O 1.55V
Piombo   2.4V
Li-ion   3.6/3.7V
Li-Po   3.6/3.7V



Notiamo per esempio qualcosa di familiare: le celle alcaline sono le normali pile AA, AAA etc.., ovvero stilo, ministilo, mezzatorcia (C) etc...e qualsiasi tipo di pila moderna che ha sostituito le vecchie zinco-carbone. Ebbene per queste, la tensione nominale di cella è appunto 1.5 volt. Anche le pile a bottone,con chimica silver-oxide da 1.55 volt, possono risultare familiari, essendo utilizzate per esempio negli orologi.

volts cella voltaggio batteria

Quando parliamo di pile ricaricabili, invece, ci riferiamo a quelle stilo o ministilo ricaricabili che utilizziamo per alimentare i nostri dispositivi. Queste hanno chimica Nichel-metalidruro Ni-MH ed una tensione di cella di circa 1.2 volt.

In qualsiasi batteria avvengono delle reazioni elettrochimiche che muovono elettroni da un polo all'altro. Le reazioni chimiche, la concentrazione dei componenti della batteria, la polarizzazione della batteria, gli elettroliti ed i metalli utilizzati per la costruzione del catodo controllano il voltaggio della batteria: ogni differente reazione ha un suo voltaggio caratteristico, che è il voltaggio della cella.

Tensione cella ioni di litio

Veniamo finalmente alle celle più importanti per noi oggi, quelle agli ioni di litio Li-ion. Le celle litio, possono avere una tensione di 3.6 o 3.7 volt.

tensione cella volt batteria

Sopra un esempio di una famosa celle Li-ion, in formato 18650, come quelle che si trovano in molte batterie per notebook o per reflex, camcorder etc...

Voltaggio a circuito aperto e chiuso

Capita spesso di leggere, nel mondo delle batterie, specifiche come OCV o CCV. Si tratta del voltaggio di una batteria (o di una pila o di una cella singola) a circuito aperto ed a circuito chiuso.

Il voltaggio a circuito aperto o voltaggio di equilibrio è la differenza di potenziale elettrico tra i terminali della pila (positivo e negativo) quando questa non è connessa ad alcun carico. Di conseguenza non c'è alcuna corrente spillata alla pila che circola tra i terminali.

voltaggio a circuito aperto

Il voltaggio a circuito aperto rappresenta il valore massimo del voltaggio. Quando ad una pila o batteria connetto un carico, posso parlare di voltaggio a circuito chiuso (CCV):

voltaggio a circuito aperto

C'è ora una corrente spillata dalla batteria che fluisce nel circuito, attraverso il carico. Poichè il carico è in parallelo alla batteria, il voltaggio ai terminali del carico è lo stesso di quello che ho ai terminali della batteria:

voltaggio a circuito aperto

La batteria inzierà a scaricarsi e poichè la batteria ha una sua Resistenza Interna, il voltaggio a circuito chiuso è minore del voltaggio a circuito aperto e diventa sempre minore, man a mano che la batteria si scarica:

voltaggio a circuito chiuso

La batteria a sinistra non è connessa ad alcun carico, quindi se abbiamo una pila da 1.5V nuova e completamente carica, misureremo comunque 1.5V a circuito aperto, in quanto la resistenza interna non ha alcun effetto. Quindi OCV=1.5V

La batteria a destra è connessa ad un carico. Supponiamo che la resistenza interna sia pari ad 1Ω mentre il carico sia 8Ω. Abbiamo dunque una resistenza equivalente di 9Ω. Applicando la legge di ohmh : I=V/R, calcolo una corrente di 0.17A. Questa mi consente di calcolare una caduta di tensione di 0.17V sulla resistenza interna di 1Ω. E dunque il voltaggio a circuito chiuso è pari a 1.5V - 0.17V = 1.33V. Quindi CCV=1.33V ed è sempre minore di OCV.

Resistenza interna

La batteria ideale è in condizioni di equilibrio chimico, per le quali si hanno il massimo voltaggio e capacità. La batteria reale è sotto carico, ha voltaggio e capacità inferiori e può essere modellata come una batteria che ha in serie una resistenza interna. La resistenza interna di una batteria dipende dalla sua chimica, dall'invecchiamento, dalla temperatura e dalla corrente di scarica. Per approfondire questo argomento, vai qui.

Variazione del voltaggio durante la scarica: curve di scarica V=V(t)

La batteria ideale è in condizioni di equilibrio chimico, per le quali si hanno il massimo voltaggio e capacità. Abbiamo parlato di voltaggio a circuito chiuso, ovvero quando applichiamo un carico e la batteria inizia a scaricarsi. Man a mano che la batteria si esaurisce, diminuiscono:

  • la capacità
  • il voltaggio

Quanto diminuisce il voltaggio col passare del tempo, durante la scarica della batteria? Anche questa è una caratteristica che dipende dalla chimica della cella e dall'intensità della corrente di scarica. Quanto più è alta la corrente di scarica, tanto più velocemente si abbasserà il voltaggio, dal valore massimo al valore minimo.

scarica capacità batteria e tensione

La variazione di voltaggio nel tempo, in condizioni di scarica, è una caratteristica chiave della tecnologia delle batterie. Ecco un esempio di variazione nel tempo per diversi sistemi di batterie:

scarica capacità batteria e chimica

La pendenza di queste curve dipende da:

  • Corrente di scarica
    Maggiore è la corrente di scarica, più bassa sarà la curva

  • Chimica
    Ogni chimica ha la sua curva caratteristica di scarica. Alcune celle, come le ioni litio, esibiscono una variazione marcata del voltaggio in fase di scarica, passando per esempio da 4.2V (batteria carica) a 3V o meno (batteria scarica). Altre chimiche, come Ni-Mh, hanno un voltaggio più stabile durante la carica e la curva di scarica. Le pile ad ossido di argento, per esempio, hanno caratteristiche di scarica praticamente piatte!

Per maggiori approfondimenti, guarda questo articolo. Fissiamo per ora un punto importante:

Il voltaggio di una batteria non è costante durante l'uso (scarica) ma diminuisce, passando da un valore massimo (voltaggio a circuito aperto) ad un valore minimo (batteria scarica)

L'andamento della curva di scarica è assimilabile ad una esponenziale. Normalmente v(t) non è nota e si determina con delle misurazioni.

Cut-Off Voltage o End Voltage



voltaggio cut-off end voltage

Quasi tutti i tipi di batteria (di varia chimica), non possono essere scaricati sotto certi livelli di tensione, pena il danneggiamento permanente delle celle. Questo voltaggio limite, o soglia, è chiamato cut-off voltage oppure end voltage e dipende dal tipo di batteria, dalla temperatura e dalla velocità di scarica. Al cut-off voltage la batteria è da considerarsi scarica.

Per le celle agli ioni di litio, valori tipici di cut-off voltage sono tra i 2.5V ed i 3V. Nelle batterie esiste un circuito (BMS: battery management system) che ha anche il compito di scollegare la cella quando questa raggiunge il voltaggio di cut-off, al fine di evitare danni.


Voltaggio Nominale di una cella o batteria

Scaricando la cella, il voltaggio varia in funzione del tempo (ed anche la capacità diminuisce) mentre viene prodotta energia. Considerando per esempio la curva di scarica di una batteria agli ioni di litio, vediamo che:

scarica batteria tensione nominale


Una cella agli ioni di litio esibisce 4.2V di tensione quando è completamente carica. Si può invece considerare scarica quando la tensione scende sotto i 2.7-3V. Il valore medio, di circa 3.7V, viene detto tensione o voltaggio nominale. Il voltaggio nominale non coincide necessariamente con la media aritmetica tra il valore massimo (4.2V) ed il valore minimo (cut-off, 2.7-3V) della tensione: si tratta di un valore medio ponderato (nel tempo).


Alcuni produttori considerano, con buona approssimazione, il voltaggio nominale coincidente con il voltaggio a circuito aperto, per motivi pratici e per la difficoltà nel calcolare il voltaggio in condizioni di equilibrio.

Leggi anche:

Effetto della temperatura sul voltaggio

influenza della temperatura sul voltaggio




Aumentando la temperatura del sistema, aumenta il voltaggio della batteria. Si può calcolare mediante l'equazione di Nernst.

Nel grafico a destra sono plottate delle curve v(t) per una cella agli ioni di litio, con la temperatura a parametro. La corrente di scarica è costante e pari a 0.96A per tutte le curve.




Voltaggio celle in serie ed in parallelo

Se metto in serie delle celle, il loro voltaggio si somma. Se le metto in parallelo, il voltaggio resta uguale (ma si sommano le capacità).

voltaggio celle in serie e parallelo

Quando configuro in serie due pile alcaline, diciamo due stilo da 1.5V, ottengo una tensione di 3V. Se le dispongo in parallelo, ottengo sempre 1.5V. Questo vale anche per N celle:

voltaggio celle in serie e parallelo

Allo stesso modo, se metto in serie due celle agli ioni di litio, come accade in una batteria per dispositivi elettronici, otterrò:

  • 3.6V x 2 Celle = 7.2V
  • 3.6V x 3 Celle = 10.8V
  • 3.6V x 4 Celle = 14.4V

E così via...Per maggiori informazioni sulle combinazioni Serie/Parallelo nelle batterie,vai qui

Voltaggio di una batteria (pacco batterie)

Una batteria può essere formata da una singola cella. In tal caso la tensione della batteria deve coincidere con la tensione di cella prevista dalla chimica di quella cella. Per esempio:

volts cella voltaggio batteria

Nella foto sopra, abbiamo solo batterie composte da 1 Cella: il voltaggio stampigliato sull'etichetta è identico al voltaggio della singola cella che puoi leggere nella tabella di apertura dell'articolo.

Una batteria, molto più spesso, è un insieme di moduli o celle, arrangiati in Serie od in Parallelo (o entrambi). In tal caso il voltaggio di targa, quello dichiarato sull'etichetta della batteria, è pari al risultato dei volt ottenuti dalla serie (o parallelo, più raramente).

voltaggio celle in serie e parallelo

Come fa questa batteria, essendo alcalina, ad avere una tensione di 9V, se la tensione di cella di una chimica alcalina è di soli 1.5V? La risposta è semplice: al suo interno cela una serie di celle da 1.5V. Ci vogliono 6 celle da 1.5V per avere una batteria da 9V

voltaggio celle in serie e parallelo

Altro esempio di alcalina, addiruttura da 12V, la LR23A. Dentro ci troviamo 8 CELLE da 1.5V:

voltaggio celle in serie e parallelo

Ecco una batteria per Reflex digitale da 7.2V (tipico valore). Dentro ci troviamo 2 CELLE Li-ion da 3.6V in serie:

voltaggio celle in serie e parallelo

Ed infine una batteria per Notebook da 10.8V (tipico valore). Dentro ci troviamo 3 CELLE Li-ion da 3.6V in serie:

voltaggio celle in serie e parallelo


Perchè ci servono batterie di celle?

In molti casi, il voltaggio della singola cella non è sufficiente al carico che andrà ad alimentare. Le celle con tensione maggiore sono quelle agli ioni di litio (3.6/3.7V per cella) e spesso questa tensione non è sufficiente a produrre la potenza necessaria, con la capacità richiesta. Mettendo celle in serie aumento il voltaggio (aumento dunque la potenza VxA) e mettendole in parallelo aumento la capacità.

Nelle batterie piombo-acido, come quelle della macchina, ogni cella fornisce una tensione di soli 2V. Arrangio quindi 6 celle in serie, per ottenere i 12V tipici di quelle batterie.

Nelle batterie complesse, come quelle per computer portatili, si arrangiano sia in serie che in parallelo, per ottenere potenza e capacità.


Attenzione a non confondere la chimica!

E' necessario stare attenti a non confondere la chimica delle batterie, perchè questa non è intercambiabile! Per esempio il mio vecchio motorola montava questa batteria:

ImgW.jpg

 

che, come si vede, ha una chimica Ni-MH, quindi con tensione della singola cella di 1.2V, quindi 4 celle in serie per una tensione di 4.8V. Allo stesso modo, posso avere una batteria Ni-MH da 3.6V (3 celle), che è completamente diversa da una batteria Li-ion 3.6V a singola cella. Attenzione a non confondere le chimiche, anche perchè i circuiti di ricarica sono completamente diversi.

 

Letto 15334 volte Ultima modifica il Venerdì, 22 Luglio 2016 14:57
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