Durante la carica, il materiale attivo positivo si ossida, producendo elettroni, e il materiale negativo si riduce, consumando elettroni. Questi elettroni costituiscono il flusso di corrente nel circuito esterno. L’elettrolita può servire da semplice tampone per il flusso interno di ioni tra gli elettrodi, come nelle celle agli ioni di litio e al nichel-cadmio, o può essere un partecipante attivo nella reazione elettrochimica, come nelle celle al piombo-acido.
L’energia usata per caricare le batterie ricaricabili di solito proviene da un caricabatterie che usa la corrente alternata, anche se alcuni sono attrezzati per usare la presa di corrente continua da 12 volt di un veicolo. La tensione della fonte deve essere superiore a quella della batteria per forzare il flusso di corrente in essa, ma non troppo superiore o la batteria può essere danneggiata.
I caricatori impiegano da pochi minuti a diverse ore per caricare una batteria. I caricabatterie lenti “muti” senza capacità di rilevamento della tensione o della temperatura si caricano a un tasso basso, in genere impiegando 14 ore o più per raggiungere una carica completa. I caricatori rapidi possono in genere caricare le celle in due o cinque ore, a seconda del modello, e i più veloci impiegano solo quindici minuti. I caricabatterie veloci devono avere diversi modi per rilevare quando una cella raggiunge la piena carica (cambiamento di tensione terminale, temperatura, ecc.) per fermare la carica prima che si verifichi un dannoso sovraccarico o surriscaldamento. I caricatori più veloci spesso incorporano ventole di raffreddamento per evitare il surriscaldamento delle celle. I pacchi batteria destinati alla ricarica rapida possono includere un sensore di temperatura che il caricabatterie utilizza per proteggere il pacco; il sensore avrà uno o più contatti elettrici aggiuntivi.
Diversi tipi di batterie richiedono schemi di ricarica diversi. Per esempio, alcuni tipi di batterie possono essere ricaricate in modo sicuro da una fonte di tensione costante. Altri tipi devono essere caricati con una fonte di corrente regolata che si riduce man mano che la batteria raggiunge la tensione di carica completa. Caricare una batteria in modo non corretto può danneggiare una batteria; in casi estremi, le batterie possono surriscaldarsi, prendere fuoco, o esplodere il loro contenuto.
Tasso di scaricaModifica
I tassi di carica e scarica della batteria sono spesso discussi facendo riferimento a un tasso “C” di corrente. Il tasso C è quello che sarebbe teoricamente completamente carica o scarica la batteria in un’ora. Per esempio, la carica di mantenimento potrebbe essere eseguita a C/20 (o un tasso di “20 ore”), mentre la carica e la scarica tipiche possono avvenire a C/2 (due ore per la piena capacità). La capacità disponibile delle celle elettrochimiche varia a seconda del tasso di scarica. Una parte dell’energia si perde nella resistenza interna dei componenti della cella (piastre, elettrolito, interconnessioni), e il tasso di scarica è limitato dalla velocità con cui le sostanze chimiche nella cella possono muoversi. Per le celle al piombo-acido, la relazione tra il tempo e la velocità di scarica è descritta dalla legge di Peukert; una cella al piombo-acido che non può più sostenere una tensione terminale utilizzabile a una corrente elevata può ancora avere una capacità utilizzabile, se scaricata a una velocità molto inferiore. Le schede tecniche per le celle ricaricabili spesso elencano la capacità di scarica su 8 ore o 20 ore o altro tempo dichiarato; le celle per i sistemi di alimentazione ininterrotta possono essere valutate a 15 minuti di scarica.
La tensione terminale della batteria non è costante durante la carica e la scarica. Alcuni tipi hanno una tensione relativamente costante durante la scarica per gran parte della loro capacità. Le pile alcaline non ricaricabili e le pile zinco-carbone producono 1,5 V quando sono nuove, ma questa tensione scende con l’uso. La maggior parte delle celle NiMH AA e AAA sono valutate a 1,2 V, ma hanno una curva di scarica più piatta rispetto alle alcaline e di solito possono essere utilizzate in apparecchiature progettate per utilizzare batterie alcaline.
Le note tecniche dei produttori di batterie si riferiscono spesso alla tensione per cella (VPC) per le singole celle che compongono la batteria. Per esempio, per caricare una batteria piombo-acido da 12 V (contenente 6 celle da 2 V ciascuna) a 2,3 VPC è necessaria una tensione di 13,8 V attraverso i terminali della batteria.
Danni da inversione di cellaModifica
Sottoporre una cella scarica a una corrente nella direzione che tende a scaricarla ulteriormente fino al punto in cui i terminali positivo e negativo cambiano polarità causa una condizione chiamata inversione di cella. Generalmente, spingendo la corrente attraverso una cella scarica in questo modo si verificano reazioni chimiche indesiderabili e irreversibili, con conseguente danno permanente alla cella.L’inversione di cella può verificarsi in una serie di circostanze, le due più comuni sono:
- Quando una batteria o cella è collegata a un circuito di carica nel modo sbagliato.
- Quando una batteria composta da diverse celle collegate in serie viene scaricata profondamente.
In quest’ultimo caso, il problema si verifica a causa delle diverse celle di una batteria che hanno capacità leggermente diverse. Quando una cella raggiunge il livello di scarica prima delle altre, le celle rimanenti forzeranno la corrente attraverso la cella scaricata.
Molti dispositivi a batteria hanno un taglio di bassa tensione che impedisce il verificarsi di scariche profonde che potrebbero causare l’inversione di cella. Una batteria intelligente ha un circuito di monitoraggio della tensione costruito all’interno.
L’inversione di cella può verificarsi in una cella debolmente carica anche prima che sia completamente scarica. Se la corrente di scarico della batteria è abbastanza alta, la resistenza interna della cella può creare una caduta di tensione resistiva che è maggiore dell’emf in avanti della cella. Questo provoca l’inversione della polarità della cella mentre la corrente scorre. Più alto è il tasso di scarica richiesto di una batteria, meglio dovrebbero essere abbinate le celle, sia nel tipo di cella che nello stato di carica, al fine di ridurre le possibilità di inversione delle celle.
In alcune situazioni, come quando si correggono batterie NiCd che sono state precedentemente sovraccaricate, può essere desiderabile scaricare completamente una batteria. Per evitare danni dovuti all’effetto di inversione delle celle, è necessario accedere ad ogni cella separatamente: ogni cella viene scaricata individualmente collegando una clip di carico attraverso i terminali di ogni cella, evitando così l’inversione delle celle.
Danni durante la conservazione in stato completamente scaricoModifica
Se una batteria multicella è completamente scarica, sarà spesso danneggiata a causa dell’effetto di inversione delle celle di cui sopra.È comunque possibile scaricare completamente una batteria senza causare l’inversione delle celle – sia scaricando ogni cella separatamente, sia permettendo alle perdite interne di ogni cella di dissipare la sua carica nel tempo.
Anche se una cella viene portata ad uno stato completamente scarico senza inversione, tuttavia, il danno può verificarsi nel tempo semplicemente a causa della permanenza nello stato scaricato. Un esempio di questo è la solfatazione che si verifica nelle batterie piombo-acido che vengono lasciate su uno scaffale per lunghi periodi.Per questo motivo si raccomanda spesso di caricare una batteria che è destinato a rimanere in deposito, e per mantenere il suo livello di carica ricaricandola periodicamente.Poiché il danno può verificarsi anche se la batteria è sovraccarica, il livello ottimale di carica durante la conservazione è in genere intorno al 30% al 70%.
Profondità di scaricoModifica
La profondità di scarica (DOD) è normalmente indicata come una percentuale della capacità nominale di ampere-ora; 0% DOD significa nessuna scarica. Poiché la capacità utilizzabile di un sistema di batterie dipende dal tasso di scarica e dalla tensione ammissibile alla fine della scarica, la profondità di scarica deve essere qualificata per indicare il modo in cui deve essere misurata. A causa delle variazioni durante la fabbricazione e l’invecchiamento, la DOD per la scarica completa può cambiare nel tempo o nel numero di cicli di carica. Generalmente un sistema di batterie ricaricabili tollererà più cicli di carica/scarica se il DOD è più basso su ogni ciclo. Le batterie al litio possono scaricarsi fino a circa l’80-90% della loro capacità nominale. Le batterie al piombo possono scaricarsi a circa il 50-60%. Mentre le batterie a flusso possono scaricarsi al 100%.
Durata di vita e stabilità del cicloModifica
Se le batterie vengono usate ripetutamente anche senza maltrattamenti, perdono capacità con l’aumentare del numero di cicli di carica, finché alla fine si considera che abbiano raggiunto la fine della loro vita utile. Diversi sistemi di batterie hanno diversi meccanismi di usura. Per esempio, nelle batterie al piombo-acido, non tutto il materiale attivo viene restituito alle piastre ad ogni ciclo di carica/scarica; alla fine si perde abbastanza materiale da ridurre la capacità della batteria. Nei tipi agli ioni di litio, specialmente nelle scariche profonde, può formarsi del metallo di litio reattivo durante la carica, che non è più disponibile per partecipare al successivo ciclo di scarica. Le batterie sigillate possono perdere umidità dal loro elettrolita liquido, specialmente se sovraccaricate o utilizzate ad alta temperatura. Questo riduce la durata del ciclo.
Tempo di ricaricaModifica
Trova le fonti: “Batteria ricaricabile” – notizie – giornali – libri – scholar – JSTOR (settembre 2017) (Impara come e quando rimuovere questo messaggio template)
Il tempo di ricarica è un parametro importante per l’utente di un prodotto alimentato da batterie ricaricabili. Anche se l’alimentatore di ricarica fornisce abbastanza energia per far funzionare il dispositivo e per ricaricare la batteria, il dispositivo è collegato a un alimentatore esterno durante il tempo di ricarica. Per i veicoli elettrici utilizzati a livello industriale, la ricarica durante i turni di riposo può essere accettabile. Per i veicoli elettrici da autostrada, la ricarica rapida è necessaria per la ricarica in un tempo ragionevole.
Una batteria ricaricabile non può essere ricaricata ad un tasso arbitrariamente alto. La resistenza interna della batteria produce calore e un aumento eccessivo della temperatura danneggia o distrugge la batteria. Per alcuni tipi, la velocità massima di ricarica sarà limitata dalla velocità con cui il materiale attivo può diffondersi attraverso un elettrolita liquido. Tassi di carica elevati possono produrre gas in eccesso in una batteria, o possono provocare reazioni collaterali dannose che abbassano permanentemente la capacità della batteria. Molto approssimativamente, e con molte eccezioni e avvertenze, il ripristino della piena capacità di una batteria in un’ora o meno è considerato carica rapida. Un sistema di caricabatterie comprenderà strategie di controllo-circuito e di carica più complesse per la carica veloce, che per un caricabatterie progettato per una ricarica più lenta.