Batterie più longeve per un ambiente più pulito

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Talvolta non è immediato comprendere come accorgimenti molto semplici possano avere un impatto non trascurabile sull’ambiente. Ad esempio, la sostituzione di una singola lampada a incandescenza nella propria abitazione con una lampada a LED o CFL ad alta efficienza può apparire un gesto insignificante e, dal punto di vista del consumo di elettricità domestica, solitamente lo è. Se si ipotizza che la lampada utilizzi 40 W in meno e resti accesa per 12 ore al giorno, ciò si traduce in un risparmio di 240 W/h al giorno. Se si moltiplica questo numero per 100 milioni di persone che eseguono la medesima operazione in una medesima nazione, il risparmio equivale alla realizzazione di due nuovi centrali elettriche da 2 GW. La specie umana è un consumatore di energia sempre più “vorace” e, nel momento in cui si realizzano dispositivi destinati a milioni di persone, qualsiasi miglioria in termini di consumi può avere un effetto non trascurabile sull’ambiente.

Fonti di energia migliori per i dispositivi portatili
Così come accade per le apparecchiature fisse, anche i dispositivi portatili richiedono potenza. Il metodo di alimentazione più comunemente usato è rappresentato dalle batterie: quelle delle generazioni più recenti sono del tipo a ioni di litio (LiIon) o NiMH (Nickel Metal Hydride). Si tratta in entrambi i casi di tecnologie mature affidabili, anche se non esenti da limitazioni. Le batterie basate su nickel sono disponibili sul mercato da parecchi anni ma a causa della natura delle loro reazioni chimiche “invecchiano” a ogni ciclo e sono affetti dal problema dell’autoscarica. Le batterie a ioni di litio, dal canto loro, iniziano a “invecchiare” nel momento stesso in cui vengono fabbricate a causa dell’ossidazione interna e sono afflitte dal problema dell’aumento dell’impedenza serie. Ciò limita la durata della vita utile delle batteria a circa 2-3 anni, sebbene le più recenti tecnologie abbiano permesso di migliorare questa situazione. Una volta note le limitazioni di queste batterie è possibile migliorarne la durata in modo da diminuire il loro impatto ambientale attraverso migliorie a livello progettuale.

Per aumentare la durata dei sistemi che utilizzano batterie basate su nickel si considerino con attenzione i meccanismi di usura. Le batterie NiMH sono soggette a un rapido degrado in presenza di condizioni di carico particolarmente onerose (scarica veloce) o di temperature elevate: il degrado è ancora più veloce quando si verificano entrambe le condizioni. È necessario un numero di cicli compreso tra 250 e 500 prima che la capacità delle celle NiMH si deteriori scendendo al di sotto di un limite utile. La carica rapida delle celle NiMH dà adito a un altro problema. Infatti durante la carica la reazione chimica che avviene in una batteria NiMH è di natura esotermica (ovvero liberano calore) a differenza di quel che accade per le batterie Nickel-Cadmio (che danno luogo a una reazione endotermica durante la carica). È utile eseguire il monitoraggio non solo delle tensioni durante la carica, ma verificare con estrema cura l’aumento della temperatura per il termine della carica. Poiché la velocità di variazione dell’aumento di temperatura (pendenza della linea) è così lieve, è necessario ricorrere a un sensore di temperatura estremamente accurato in modo da poter rilevare questo cambiamento ed evitare di sovraccaricare (e quindi danneggiare) le celle.

Un ulteriore problema legato alla carica delle celle NiMH è la carica di mantenimento che deve mantenere la batteria carica mentre non viene utilizzata. Ciò è più dannoso nel tempo per le celle che non i cicli di carica primari. La metodologia migliore sarebbe quella di eseguire la carica a una capacità C/1 (si tratta della corrente assorbita che permette alla batteria di durare almeno 1 ora) e quindi ridurre tale valore di capacità di 1/10 (C/10) in prossimità della fine del ciclo di carica e quindi arrestare completamene la carica. È necessario monitorare la tensione e, periodicamente, riavviare ancora il ciclo per terminare la carica. Ciò contribuisce ad aumentare la durata delle celle e quindi la vita utile delle apparecchiature.

Le celle a base di litio presentano altri problemi compresa la possibilità di eventi catastrofici (esplosioni). Le odierne celle di litio adottano un meccanismo di sicurezza (fail safe) per prevenire fenomeni di carica eccessiva che disconnette in maniera permanente la cella esterna dai contatti esterni. In questo modo la batterie viene “soppressa” e impedisce ad essa di prendere fuoco. Il riscaldamento di una cella in uno spazio ristretto è anch’esso un fenomeno che può provocare un guasto meccanico delle celle che posso quindi prendere fuoco. Inconvenienti di questo tipo vengono periodicamente riportati. La metodologia di realizzazione ottimale prevede un progetto meccanico accurato e un raffreddamento adeguato delle celle. Queste considerazioni sono valide per i sistemi basati sia su nickel sia sul cadmio.

Oltre a ciò, le celle di litio invecchiano con il trascorrere del tempo e la loro impedenza serie aumenta. Se si dimensionano le celle con capacità superiori rispetto a quelle previste per l’utilizzo nel caso peggiore dell’apparecchiatura, è possibile aumentare la durata del sistema. A seguito dell’invecchiamento delle celle, la tensione di uscita diminuirà a parità di carico.

Se il carico viene ridotto attraverso la diminuzione del consumo di potenza o l’utilizzo di celle di capacità più elevata, anche l’abbassamento di tensione sarà ridotto assicurando una vita operativa più lunga.

Impatto ambientale
Anche se non evidente a prima vista, l’allungamento della durata di apparecchiature utilizzate da milioni di consumatori può avere un effetto rilevante sull’ambiente. Si tenga infatti conto del fatto che al mondo esistono oltre 2 miliardi di telefoni cellulari e più di 3 miliardi di altri dispositivi portatili – dai lettori portatili ai telefoni cordless – e questi numeri sono destinati a crescere rapidamente. Ipotizzando una vita media di tre anni per questi dispositivi, si può stimare che ogni anno in media circa 1,2 miliardi di dispositivi vengono ritirati e quindi scartati. Semplicemente aumentando la vita utile delle batterie del 15% attraverso un’attenta ingegnerizzazione, sarà possibile far mantenere in funzione circa 180.000 dispositivi (e le relative batterie) ogni anno. Inoltre, non sarà necessario aumentare la produzione delle miniere da cui si estraggono nickel o litio grazie alla maggiore durata delle celle della batteria. Tutto ciò, ovviamente, ha un impatto positivo sull’ambiente.

In definitiva, le apparecchiature portatili necessitano di una fonte di alimentazione portatile compatta come quella fornire dalle batterie basate su nickel o litio. Con un’ ingegnerizzazione accurata, la durata delle celle può essere aumentata con riflessi favorevoli sulla vita operativa del sistema. La maggior durata di telefoni cellulari e altri dispositivi portatili di uso comune comporta un maggior valore delle apparecchiature stese, che possono infatti garantire una vita operativa maggiore e una riduzione del numero di scarti prematuri.

Richard F. Zarr PowerWise chief technologist National Semiconductor

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