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Le celle al Litio

Scopriamo tutte le caratteristiche delle celle ai Polimeri di Litio.

In questo'ultimo anno 2 prodotti hanno scosso il settore del volo elettrico, i motori brushless e le celle al litio, ed in questo articolo parleremo proprio di quest'ultime.
L'uso di celle al litio non è una novità in campo elettronico, da decenni si usano le piccole celle a bottone (tecnologia Lithium Manganese Dioxide LiMnO) all'interno degli orologi e delle apparecchiature elettroniche ma solo da poco più di 8 anni che sono comparse in maniera massiccia le celle al litio ricaricabili sul mercato consumer.
Le più comuni sono senza dubbio le celle agli Ioni di Litio (Lithium-Ion LiLo) con elettrolita liquido e tensione di 3,6 volt, di solito prodotte in forma cilidrica per essere usate per lo più sui computer portatili e nelle videocamere, oppure in formato a pacchetto metallico come celle a basso profilo per cellulari, palmtop e dispositivi di piccole dimensioni.
Nell'ultimo periodo invece sono state prodotte le celle ai Polimeri di Litio (Lithium-Polymer Lipoly) rispetto alle altre celle usano un elettrolita di tipo gelatinoso, cosa che permette di ridurre notevolmente la formazione di gas e quindi la pressione all'interno della cella durante le fasi di carica e scarica (la tecnica non è comunque una novità visto che si usa da tempo sulle batterie al piombo-gel).
Ora il problema maggiore delle celle al litio è la loro elevata resistenza interna, infatti più la resistenza è alta meno ampere riesco a "succhiare" dalle mie celle, volendo fare un esempio idraulico è come se noi strozziamo un tubo e quindi limitiamo l'uscita del fluido.

L'uso dell'elettrolita gelatinoso e di elettrodi polimerici particolarmente sottili ha permesso di adottare un "trucco" per ridurre drasticamente la resistenza, in pratica i costruttori hanno aumentato al max la superficie della cella "avvolgendo" l'elettrolita e l'elettrodo in una specie di pacchetto (gli appassionati di elettronica riconosceranno subito che è lo stesso sistema usato nei condensatori).
Aumentando al superficie tra i 2 elettrodi diminuisce anche la resistenza complessiva del pacco, motivo per cui le celle Lipoly ad alta capacità e dimensione hanno resistenze decisamente inferiori alle celle più piccole (le 1200 ad alta scarica in media sono intorno ai 0.030 Ohm).
Ma alla fine come sono costruite queste celle?
Detto molto semplicemente sono 2 strati di materiale avvolti a spirale o piegati a fisarmonica (la tecnica varia da un produttore all'altro) che vengono inseriti in un involucro stagno di alluminio, quindi inzuppati di elettrolita gelatinoso e sigillati ermeticamente.

La pericolosità delle celle Lipoly
Sulle celle al litio ne abbiamo sentite di tutti i colori vediamo di fare un po' di chiarezza, rispetto alle celle NiCd le Litio sono decisamente più pericolose, ma cio' non toglie che anche le NiCd lo siano, provate a mettere in corto una 2400 bella carica e vedete se dopo qualche secondo non inizia a fischiare e poi scoppia.
Il principale pericolo delle Lipoly è dovuta al fatto che il gas sprigionato in caso di sovraccarica/sovrascarica eccessiva della cella è particolarmente infiammabile, ora dato che la cella è praticamente sigillata ermeticamente si presenta il problema che sprigionando gas la cella si gonfia come un palloncino dato che non ha nessuno sfogo e surriscaldandosi il gas all'interno rischia di incendiarsi con inevitabili conseguenze.
In campo commerciale sulle celle al litio viene posizionato un circuito di controllo capace di monitorare tensione e corrente (vedi foto in basso), ma su quelle per uso modellistico non è possibile in quanto le correnti in gioco sono troppo elevate, quindi per evitare qualunque problema è bene attenersi a tutte le precauzioni di uso descritte più avanti e consigliate dal costruttore della celle.
Alla fine le batterie al litio hanno solo bisogno di un minimo di attenzione da parte dell'utente offrendo in cambio molto di più.

Uso e scelta delle celle Lipoly
Per l'uso delle celle al litio esistono particolari limitazioni:

la corrente di carica/scarica max consigliata dal costruttore non deve mai essere superata pena il decadimento veloce della vita della cella ed in caso di valori eccessivi c'è il pericolo che possa gonfiarsi ed incendiarsi.
la tensione della singola cella non deve mai scendere sotto i 2,5 volt, l'ideale è mantenersi intorno ai 2,8 volt, altrimenti la cella si danneggia.
la temperatura di funzionamento non deve essere ne' troppo alta ne' troppo bassa, infatti i diagrammi di scarica mostrano che a basse temperature (sotto i 10 gradi) le celle tendono a diminuire velocemente le capacità di scarica in quanto aumenta la resistenza interna, quindi volando in inverno è bene chiudere qualche presa d'aria sul modello e tenere le celle in caldo prima dell'utilizzo (i test parlano di temperatura ideale intorno ai 20-25 gradi).
la ricarica deve essere sempre effettuata con un caricabatterie per batterie al Litio con correnti mai superiori alle specifiche delle celle e comunque sopra 1C sotto controllo diretto.

1200mA 3,6volt e 10C di scarica in soli 25gr!!!

Viste tutte queste limitazioni perchè usare usare le celle al Litio?
Il motivo è semplice rispetto alle NiCd la densità di energia è 3 volte maggiore, ovvero a parità di peso l'energia contenuta in una cella al litio è 3 volte superiore, quindi in teoria posso ottenere un risparmio di peso notevole, facciamo un esempio:

Sanyo - RC 2/3 SC 1,2V 1200mA 33gr
E-tec - 3,7V 1200 mA 25gr

A parità di capacità per raggiugere la stessa tensione della singola cella al litio con le NiCd dobbiamo mettere in serie 3 celle quindi con un peso totale di 99gr, rispetto ai 25gr della Lipoly, abbiamo una differenza di ben 74gr!!!
Ora dai dati sembrerebbe che le Lipoly siano decisamente migliori, ma purtroppo c'è la "fregatura", infatti mentre le NiCd hanno correnti continue molto elevate le Lipoly sono decisamente più limitate, quindi per raggiungere le stesse prestazioni spesso si è costretti a mettere in parallelo più pacchi batterie. Pero' in questo caso il peso ulteriore, anche se raggiunge lo stesso del pacco NiCd, ha il vantaggio di essere un carico utile in quanto la capacità del pacco risulta raddoppiata o più, quindi a parità di peso il tempo di volo risulta almeno raddoppiato.
La scelta del giusto pacco è comunque abbastanza complessa, il primo problema è la tensione di funzionamento, con le celle NiCd ed NiMh avevamo ampie possibilità di scelta visto che ogni singola cella aveva una tensione di 1,2volt, le celle al litio invece hanno una tensione di 3,7 volt per cella quindi mettendole in serie otteniamo 3,7-7,2-11,1 (tanto per citare le configurazioni più comuni). Scegliere se volare con 2 o 3 celle Lipoly alla fine è piuttosto arduo vista la notevole differenza di tensione, eventualmente prima di scegliere dobbiamo fare i conti con le correnti assorbite.
Il secondo problema è proprio la corrente max che possono erogare, infatti come abbiamo già detto se si superano le specifiche tecniche la cella si rovina abbastanza facilmente e nei casi peggiori (leggi cortocircuito) può gonfiarsi come un palloncino ed esplodere.
In genere le celle sono accompagnate da un foglietto che vi informa su queste specifiche, la momenclatura usata è uguale a quella delle NiCd ed NiMh ovvero xC, dove la "C" si riferisce alla capacità della cella e la x al moltiplicatore, esempio:

Un pacco dalla capacità di 1200mA con capacità di scarica di 5C significa che possiamo prelevare fino a 6000mA (1200 x 5) se invece la capacità di scarica è di 10C possiamo prelevare 12000mA e così via.

Nei datasheet delle celle trovate 2 valori di corrente quella continua erogabile che viene indicata con la dicitura Maximun Costant discharge current (o simile), mentre quella di picco Maximum Peak discharge current (o simile) con a volte indicato anche il tempo in secondi, la corrente continua erogabile è il parametro da prendere sempre in considerazione visto che determina il quantitativo di corrente che puo' scorrere nell'uso normale, quella di picco di solito ha un tempo di utilizzo troppo limitato.
Nel caso abbiate bisogno di correnti maggiori non dovete far altro che mettere in parallelo più pacchi batterie (obbligatoriamente identici come caratteristiche e capacità), ad esempio se abbiamo 2 pacchi da 5C otteniamo una scarica totale di 10C, con 3 pacchi da 5C otteniamo 15C e così via.
Per l'uso delle Lipoly è vivamente consigliato adoperare un amperometro in modo da trovare una migliore accoppiata elica/motore/batterie, infatti a parte la pericolosità di una sovrascarica, c'è il dettaglio che hanno un costo tutt'altro che trascurabile ed è facile rovinarle con un assorbimento eccessivo.

Configurazione delle celle
In commercio le celle Lipoly vengono vendute sia sfuse che in pacchi già preconfezionati con celle in serie ed in parallelo, per identificare la configurazione dei pacchi si usa la seguente nomenclatura "XsYp" (es 2s1p, 3s1p, 2s2p) dove il valore della X identifica il numero di celle in serie che formano il pacco (mettere una cella in serie all'altra serve ad aumentare la tensione del pacco) mentre la Y è il moltiplicatore che ci dice il numero di pacchi in parallelo (2 pacchi in parallelo avranno la tensione del singolo pacco ma una capacità pari alla somma delle capacità dei 2 pacchi).

Esempio

Montaggio
Per montare un pacco abbiamo bisogno delle celle singole, di un pcb (non obbligatorio ma vivamente consigliato), di alcuni spessori, dello stagno di buona qualità (particolare da non sottovalutare) e del termoretraibile.
Vi faccio notare che alcune celle, tipo le E-Tec, hanno una delle lamelle di contatto in alluminio o comunque in materiale non saldabile, per ovviare questo inconveniente le celle vendute per uso modellistico hanno un pezzo di materiale ferroso saldato elettricamente che permette la saldatura a stagno altrimenti l'unica alternativa è ricorrere a speciali paste per saldare l'alluminio (vendute nei negozi di elettronica specializzati o da chi vi ha venduto le celle).
Per prima cosa posizionate sui pacchi gli spessori, io la prima volta ho utilizzato dei ritagli depron da 3mm ma sono risultati troppo morbidi e quando ho stretto il termoretraibile si sono schicciati, per il secondo pacco ho quindi ripiegato su dei pezzetti di sughero.
Ora posizioniamo il pcb e dopo aver accorciato le lamelle le saldiamo con lo stagno, durante la saldatura cercate di essere abbastanza veloci e di non surriscaldare la cella perchè si potrebbe rovinare, una volta saldato il cavo con connettore possiamo richiudere il tutto nel termoretraibile.
Gli ultimi consigli riguardo l'utilità di ricaricare singolarmente le celle ogni tot di ricariche, in questo modo sembra che il pacco riesca a vivere un pò più a lungo (la vita media è di 500 cicli più o meno), nel caso vogliate prevedere questa possibilità dovete portare furi dal pacco i contatti, io ho risolto il problema saldando sulla cima del pcb un pezzettino di striscia strip, l'unico neo di questa soluzione è che dovete stare molto attenti quando fate i collegamenti al caricabatterie perchè è facile sbagliare.
In ogni caso prima di assemblare un pacco nuovo è bene ricaricare completamente le singole celle, in modo da stabilizzarlo.

La Ricarica
La ricarica delle Lipoly richiede una tecnica particolare chiamta CC/CV, (Costant Current/Costant Voltage), ovvero un sistema di ricarica a 2 stadi, in un primo momento abbiamo corrente costante mentre nel secondo una tensione costante (stessa tecnica usata per le batterie al Piombo Gel). Durante il primo ciclo il caricabatterie mantiene la corrente costante monitorando la tensione, al raggiugimento di 4,2volt per cella il caricabatterie passa al secondo stadio lasciando la tensione costante mentre l'assorbiemnto di corrente da parte della cella inizierà a scendere gradualmente fino ad arrivare a 0mA.
C'è da dire che alla fine del primo stadio la cella ha raggiunto l'85% della capacità e che volendo possiamo staccarla per utilizzarla. E' importante notare che una errato procedimento di ricarica e la sovraccarica delle celle al Litio provoca un rapido deperimento della cella, quindi è indispensabile usare un caricabatterie adatto a questo tipo di celle, niente "accrocchi" strani o esperimenti.
Riguardo la corrente max di ricarica, in media i costruttori consigliano di non superare gli 1C ovvero la capacità totale della cella (se non avete fretta è bene rimanere intorno al 0.5C), comunque con alcune celle è possibile arrivare anche a 2C o più ma solo sotto stretto controllo.
La scarica (o i cicli di carica/scarica) sono perfettamente inutili con le celle al Litio in quanto non hanno nessun effetto memoria, eventuali cicli servono solo a diminuire la vita utile della cella senza ottenere nessun beneficio in cambio.
Tra le caratteristiche delle celle al litio c'è la particolarità di avere una bassissima corrente di autoscarica, quindi è possibile caricare le celle e lasciarle nel cassetto senza problemi, comunque in caso di inoperatività del pacco per lungo tempo è bene lasciarlo carico intorno al 50% (la procedura standard usata dai produttori).

Le celle in carica con lo Shulze ISL 6-330

Smaltimento delle vecchie celle
L'eliminazione delle vecchie celle richiede una procedura particolare, in quanto un pacco rovinato puo' comunque essere ancora molto pericoloso.
Per rendere innocua la cella occorre effettuare dei tagli o dei buchi sulla busta di alluminio, quindi immergerla in una soluzione di acqua e sale per 24 ore, passato il tempo la cella risulterà perfettamente scaricata e sarà possibile buttarla negli appositi contenitori per il riciclaggio delle batterie esauste.

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