Ottenete una durata della batteria maggiore scegliendo la giusta composizione chimica delle batterie al litio

Una durata della batteria lunga è importante per applicazioni quali Internet delle cose (IoT), nodi di sensori wireless (WSN), contatori intelligenti, utensili elettrici, dispositivi medicali portatili e illuminazione a LED portatile. Per una lunga durata acquista un'importanza sempre maggiore la scelta delle batterie con composizioni chimiche al litio (Li), ma quali di queste sono le più indicate? Le composizioni chimiche primarie, come litio/disolfuro di ferro (Li/FeS₂), litio-diossido di manganese (LiMnO₂) e litio-cloruro di tionile (Li-SOCl₂), possono garantire una durata della batteria di diversi anni, ma sono più o meno indicate a seconda del tipo di applicazione. Inoltre, la durata della batteria dipende da altri fattori oltre alla composizione chimica: è legata anche alla costruzione della batteria, ai modelli di consumo energetico e altro ancora.

La scelta migliore dipende dall'applicazione. La vostra applicazione deve avere un periodo di stoccaggio lungo? Una scarica limitata in un periodo di tempo prolungato? Una velocità di scarica elevata dopo lunghi periodi di inattività? La risposta a questa e ad altre domande vi aiuterà a determinare quale batteria scegliere per avere una lunga durata.

Valutiamo i compromessi tra la velocità di scarica impulsiva e continua, la densità di energia, la temperatura di funzionamento e i dettagli di costruzione utilizzando degli esempi di batterie realmente esistenti dei marchi Energizer, ZEUS Battery Products, Jauch Quartz e Tadiran.

Batterie Li/FeS₂ per velocità di scarica elevate e periodi di stoccaggio lunghi

Le batterie Ultimate Lithium di Energizer sono diverse dalle batterie alcaline dell'azienda sia in fatto di composizione chimica che di costruzione. La composizione chimica Li/FeS₂ garantisce una buona capacità, e ciò, unito alla costruzione a spirale che offre una superficie 20 volte maggiore rispetto a quella di una cella alcalina convenzionale, dona a queste batterie una capacità superiore e la possibilità di supportare velocità di scarica elevate (Figura 1).

Figura 1: Profili di scarica di una batteria AAA Li/FeS2 L92 a tre diverse velocità di scarica (a sinistra) e capacità a confronto con la corrente di drain per la batteria L92 rispetto a una cella alcalina convenzionale (a destra). (Immagine per gentile concessione di Energizer)

Ad esempio, la cella AAA L92 da 1,5 V ha una capacità nominale di 1,2 Ah, supporta un massimo di 1,5 A di velocità di scarica continua ed è in grado di fornire impulsi fino a 2,0 A per 2 secondi. La batteria L92 ha un periodo di stoccaggio di 20 anni a 21 °C e un intervallo della temperatura di funzionamento che va da -40 a +60 °C. Questo insieme di specifiche rende queste batterie utili in applicazioni a drain elevato, come controller di gioco, unità di sistemi di posizionamento globale (GPS), torce elettriche LED, giocattoli a motore e telecomandati e livelle laser.

Batterie LiMnO₂ per una potenza medio-bassa

Se il vostro progetto necessita di correnti moderatamente elevate dopo lunghi periodi di inattività, le batterie LiMnO₂ possono essere la scelta ideale. Tali applicazioni includono controlli di accesso, trasmettitori di posizione di emergenza, sonoboe, monitor per ambienti pericolosi e dispositivi di tracciamento con identificazione in radiofrequenza (RFID). Anche dopo lunghi periodi di inattività, queste batterie forniscono impulsi di corrente istantanei, in quanto gli elettrodi delle celle non formano uno strato di passivazione.

Le batterie LiMnO₂ sono in grado di fornire 3,0 V con una curva di scarica piuttosto piatta e possono supportare impulsi di corrente moderati (Figura 2). Ad esempio, la batteria LiMnO₂ CR-2 di ZEUS ha una capacità di 800 mA, un tasso di autoscarica inferiore al 3% all'anno a 20 °C ed è in grado di supportare carichi impulsivi da 900 mA per 3 secondi. Come le celle Li/FeS₂ Ultimate Lithium di Energizer, queste batterie LiMnO₂ hanno un intervallo della temperatura di funzionamento che va da -40 a +60°°C.

Figura 2: Le celle LiMnO2 hanno una curva di scarica più piatta rispetto alle celle Li/FeS2 e possono fornire correnti medio-basse per periodi di tempo estesi. (Immagine per gentile concessione di ZEUS Battery Products)

Batterie Li-SOCl₂ per una densità di energia elevata e bassa potenza a lungo termine

A differenza dalle batterie LiMnO₂, le celle Li/SOCl₂ formano uno strato di passivazione che porta a un'autoscarica molto bassa. Ciò permette a queste batterie di restare inattive per periodi di tempo prolungati con una perdita minima della capacità delle celle. Tuttavia, la passivazione ostacola il flusso di corrente durante la scarica iniziale della batteria, limitando la capacità di potenza di picco immediata. Lo strato di passivazione svanisce nel corso di una scarica continua, ma si riforma se la batteria torna a essere inattiva.

Pertanto, le batterie Li/SOCl₂ sono molto indicate per applicazioni a basso consumo e sempre operative, come sensori IoT wireless, contatori delle utenze, dispositivi di sicurezza wireless e sistemi di tracciamento.

Le batterie Li-SOCl₂ sono disponibili con costruzione delle celle avvolte a spirale o a bobina. Le celle a bobina offrono densità di energia molto più elevate e sono talvolta chiamate "celle di energia". Le celle avvolte a spirale offrono correnti nominali continue e di picco più elevate e sono chiamate "celle di potenza". Entrambe le tipologie offrono un'uscita nominale di 3,6 V e presentano delle curve di scarica piatte (Figura 3).

Figura 3: Le batterie Li/SOCl2 presentano una curva di scarica più piatta rispetto alle batterie LiMnO2 e Li-SOCl2, cosa che le rende particolarmente adatte ad applicazioni a basso consumo e sempre operative. (Immagine per gentile concessione di Jauch)

Le celle a bobina possono fornire densità di energia fino a 710 Wh/kg. Esempi di batterie Li-SOCI₂ a bobina includono 1/2AA ER14250J-S di Jauch con una capacità di 1,2 Ah e un intervallo della temperatura di funzionamento da -60 a +85 °C e AA TL-5903/T di Tadiran con una capacità di 2,4 Ah e un intervallo della temperatura di funzionamento da -55 a +85 °C.

Conclusione

Delle tre composizioni chimiche che abbiamo esaminato, Li/FeS₂ è in grado di supportare le velocità di scarica e le correnti impulsive più elevate, ma con la sua tensione di funzionamento da 1,5 V ha una densità di energia inferiore rispetto alle altre. All'altro estremo, le batterie Li/SOCl₂ sono adatte a erogare bassi livelli di potenza per periodi prolungati e offrono la densità di energia più elevata. Le batterie LiMnO₂ sono invece una via di mezzo in termini di densità di energia e costituiscono una buona scelta per applicazioni che necessitano di livelli di potenza medio-bassi per lunghi periodi di tempo e burst di potenza immediati di tanto in tanto.

Ovviamente, è necessario prendere in considerazione molti altri aspetti per garantire una durata della batteria lunga per un'applicazione, ma dare una rapida occhiata alle differenze principali tra le composizioni chimiche al litio più diffuse è un buon punto di partenza.