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L’ ABC Delle Batterie 18650

Le batterie ( o celle ) agli ioni di litio (LiIon) in formato 18650 sono la fonte principale di energia delle sigarette elettroniche.

Informazioni di base

La sigla 18650 indica una batteria cilindrica da 18 mm di diametro e 65 mm di lunghezza, costituita da un cilindro metallico (acciaio) rivestito di una sottile plastica isolante detto wrap o rivestimento.

La tensione nominale è di 3.6/3.7V, la capacità varia tra i 1500 ed i 3500 mAh e la corrente massima di scarica continua (DCR) varia tra i 5 ed i 30 A.
La quantità di energia nominale di una cella si ottiene moltiplicando la capacità in mAh (milli-Ampere-ora) per la tensione nominale in Volt, e si misura in mWh (milli-Watt-ora) o in Wh (Watt-ora) dividendo per mille. Ad esempio, una cella da 3000 mAh con tensione nominale di 3.6V ha un’energia nominale di 3000*3.6 = 10800 mWh = 10.8 Wh.
Sia la capacità che l’energia nominale possono essere realmente erogate solo a correnti basse, moto più basse di quelle richieste nel vaping.
La vita utile di una cella si misura con il numero di cicli completi di carica e scarica che la batteria può eseguire senza perdere più del 25% della sua capacità.
La vita della cella è tanto più breve quanto più alta è la corrente di scarica: se una buona cella può sopportare 900 cicli completi quando scaricata ad 1A, sono poche le celle che superano i 300 cicli completi se scaricate a 20A

Appena caricata una batteria LiIon ha una tensione di 4.2V, che decresce mentre la si scarica. La tensione alla quale la cella si considera convenzionalmente scarica si chiama tensione di cutoff.
La tensione nominale di 3.6 (o 3.7) V è la tensione media in un processo di scarica continua a corrente molto bassa, tipicamente 0.5A, fino alla tensione di cutoff.
I produttori fissano la tensione di cutoff della cella intorno ai 2/2.5 V e scaricarla sotto tale valore significa danneggiarla.
La tensione ai capi della cella quando la cella non eroga corrente è la tensione a morsetti aperti.
La tensione ai capi della cella mentre stà erogando corrente è la tensione sotto carico.
Più la corrente è alta e più la tensione sotto carico si abbassa rispetto alla tensione a morsetti aperti. Una cella da 20A perfettamente carica presenta una tensione a morsetti aperti di 4.2V, ma se gli fate erogare 20A la tensione sotto carico scende a circa 3.7-3.8V.

Le sigarette elettroniche dotate di un circuito di controllo usano una tensione di cutoff superiore, solitamente compresa tra i 3 ed i 3.3V il che significa che quando danno l’avviso di batteria scarica la batteria contiene in realtà ancora una quantità più o meno grande di energia.
Tensioni di cutoff così alte rispetto al minimo consigliato dai produttori contribuiscono ad aumentare la vita utile della batteria ma impediscono l’uso di tutta l’energia contenuta richiedendo ricariche più frequenti.
I costruttori di circuiti non usano tensioni di cutoff così elevate per aumentare la vita delle celle, ma semplicemente perchè i loro circuiti non funzionerebbero sotto tali tensioni.
Molti caricabatterie hanno la carica di default a 500 mA ed impiegano diverse ore a caricare una cella da 3000 mAh. Molti caricabatteria consentono di aumentare la corrente di carica ad 1A o anche a 2A o più. Tanto più alta è la corrente di carica tanto più la cella viene sollecitata e la sua vita diminuisce. Il tempo necessario per la carica completa non è inversamente proporzionale alla corrente di carica nel senso che se ad 1A la carica necessita di 3 ore, a 2 A ci vogliono meno di 3 ore ma più di un ‘ora e mezza.
Aumentando la corrente diminuisce la fase di carica a corrente costante ma aumenta la fase di carica a tensione costante.

Le batterie agli ioni di litio sono potenzialmente pericolose e vanno trattate con le dovute precauzioni.

Vanno conservate e trasportate sempre dentro un involucro protettivo, sia esso una scatolina di plastica rigida che un rivestimento di gomma morbita.
Per nessun motivo si devono tenere in tasca senza involucro protettivo: monetine o chiavi metalliche nella stessa tasca rischiano di mettere in corto circuito la cella con possibile sfiato di gas tossici, liquidi corrosivi, pericolo di esplosione ed incendio ovvero di ustioni anche gravi al corpo.
Non devono essere sollecitate meccanicamente: urti e cadute possono ammaccarle e rovinare l’isolante interno (quello sottilissimo che separa gli elettrodi) con il rischio di cortocircuito interno. Se una cella si ammacca o si deforma dovete dismetterla immediatamente e smaltirla negli appositi cassonetti.
Idem se una cella sfiata o se notate macchie d ruggine sulle parti visibili del rivestimento. Idem in caso di rigonfiamenti ed altre deformazioni spontanee.
Non gettate le celle vecchie nei cassonetti senza una adeguata protezione. Consiglio di avvolgerle n un foglio di carta o plastica attorno al quale mettere del nastro adesivo. Se le gettate sprotette nel cassonetto rischiano di andare in corto e produrre esplosioni ed incendi.
Il rivestimento plastico delle celle ( wrap) non ha solo funzioni estetiche ma quella più importante di isolante dell’involucro metallico ( che costituisce il polo negativo della cella ). Pertanto se il wrap si danneggia è necessario cambiarlo onde evitare contatti accidentali e cortocircuiti dentro la box.
In commercio si trovano delle guaine termorestringenti di dimensione apposita per rifare il rivestimento (“rewrappare” una cella )
Tenete sempre le celle lontane dalle fonti di calore: il calore è il nemico numero uno delle celle LiIon, determina l’invecchiamento precoce delle celle. Non lasciate una cella in macchina o altri luoghi sotto il sole estivo.
Non ricaricate mai una cella se questa è troppo calda (sopra i 35°C) e nemmeno se è troppo fredda (sotto i 10°C).
E’ buona norma lasciare riposare una cella qualche minuto prima di di metterla in carica. Una volta caricata è bene lasciarla riposare qualche minuto prima di utilizzarla.
Controllate sempre che la polarità sia corretta quando inserite le celle in una box tubo.s
Comprate le celle solo dai rivenditori affidabili che i cloni sono molto diffusi e di pessima qualità.
Comprate solo le celle marchiate dai produttori di celle agli ioni di litio ovvero dalle due coreane LG e Samsung e dalle due Giapponesi Sony e Sanyo-Panasonic. Le celle con altri marchi sono celle acquistate da uno dei 4 produttori e “rewrappate” a piacimento, con frequenti alterazioni delle caratteristiche dichiarate.

Se una cella sfiata e prende fuoco è difficile spegnere l’incendio. Il mezzo più indicato è la sabbia, quello meno indicato è l’acqua a meno che non sia in grandi quantità.
Piccole quantità di acqua versate su una cella incendiata peggiorano la situazione ravvivando l’incendio ( a causa dell’estrazione dell’idrogeno da parte dell’elettrolita).
L’approccio migliore, se possibile, è quello di lasciare che le fiamme sprigionate dalla cella si spengano da sole controllando solamente che l’incendio non si propaghi (potete usare l’acqua per mantenere bagnati i materiali che rischiano di incendiarsi).

Precauzioni in fase di carica

Siccome uno dei momenti più pericolosi per una cella LiIon è la fase di carica, è bene collocare il caricatore lontano da materiale infiammabile per evitare la propagazione di un eventuale incendio. Inoltre è opportuno tenere sempre sotto sorveglianza una cella in fase di carica. Non mettete in carica una cella troppo calda.
Non caricate le celle sul comodino mentre dormite.

E’ inutile nascondere il fatto che molti vapers caricano le celle di notte, mentre dormono. Posto che rimarrebbero senza sorveglianza, tale pratica è pericolosa ed esplicitamente vietata nelle istruzioni dei carica batterie.
Se proprio volete farlo, a vostro rischio e pericolo ( e quello di chi abita con o vicino a voi), organizzatevi in modo che l’eventuale sfiato e focolaio di incendio producano meno danni possibili: scegliete un ambiente adatto privo di materiali infiammabili e ponete il caricatore dentro un contenitore metallico dotato di fori che consentano la fuoriuscita dei gas ma non dei liquidi e dei residui solidi che possono fuoriuscire dalla cella. Un secchio metallico con coperchio, una scatola metallica con fori in alto e quant’altro di adatto.

Scelta delle batterie

In linea di principio da una batteria vogliamo il massimo dell’autonomia compatibilmente con una determinata corrente di scarica stabilita dal modo di svapare e dalle caratteristiche dell’Hardware che le utilizzerà.
Se svapiamo con potenza fino 60W dobbiamo scegliere una cella da almeno 20A di scarica continua. Fino a 75W dobbiamo scegliere una cella da almeno 25A ed oltre una cella da 30A.
Nelle box dotate di circuito ed alimentate da 2 o 3 batterie si può arrivare a potenze di 2 o 3 volte quella della singola cella. Ad esempio in una box dual battery elettronica con due celle da 20A si può arrivare a svapare a 120W, indipendentemente dal fatto che le celle siano in serie o in parallelo.
Non fidatevi delle indicazioni stampate sul rivestimento delle batterie che spesso sono esagerate. Nelle batterie rewrappate cinesi l’esagerazione delle caratteristiche è una regola.
Anche se svapate a bassissima potenza, diciamo a 10W e anche meno, non illudetevi di poter comprare una cella da 3500 mAh, in tali celle la caduta di tensione sotto carico è talmente elevata che a causa del cutoff precoce della box non riuscirete mai ad estrarre tutta l’energia: molto meglio una cella da “soli” 3000mAh e corrente di scarica massima di 20A. Per questo motivo nella tabella sopra consiglio celle da 20A in tutto il range di potenza 0-60W.

Il mio personalissimo consiglio semplificato in modo estremo è racchiuso nella seguente tabella

0-60 W (20 A DCR) max 75W (25 A) max 90W (30A)
Sony VTC6 3200 mAh Sony VTC5A 2500 mAh LG HB6 1500 mAh
LG HG2 3000 mAh
Samsung 30Q 3000 mAh

Tenete presente che ad oggi non esistono celle 18650 da più di 3500 mAh e più di 30A di DCR e se qualcuno dice il contrario è solo per vendervele.

Capacità nominale e capacità reale

Ho già accennato al fatto che la capacità nominale di una cella è utilizzabile sono con prelievi di corrente molto bassi, incompatibili con il vaping, e con cutoff moltopiù bassi di quelli utilizzati dalle box. Pertanto, ipotizzando di usare una box con cutoff a 3.2V la capacità reale delle celle, che poi determina l’autonomia di vaping, è molto più bassa.

Ad esempio con le tre celle da 20A che consiglio nella tabella, a 20A di scarica si ottengono le seguenti capacità reali:

Sony VTC6 : 1800 mAh -> 56% del nominale
LG HG2 : 1500 mAh -> 50% del nominale
Samsung 30Q : 1650 mAh -> 55% del nominale.

Se invece potessimo regolare il cutoff della box (possibile ad esempio con i circuiti DNA 75 e DNA 200) a 2.8V, otterremmo, sempre a 20A

Sony VTC6 : 2650 mAh -> 86% del nominale
LG HG2 : 2650 mAh -> 88% del nominale
Samsung 30Q : 2600 mAh -> 87% del nominale

ovvero avremmo un 30% di autonomia in più ( accettando una vita delle celle sensibilmente più breve, ma non troppo).
La capacità reale si avvicina tanto di più al valore nominale, tanto più bassa è la corrente (potenza) e tanto più bassa è la tensione di cutoff.

Un esempio in termini di potenza. Se svapate a 60W con una Sony VTC6 l’autonomia dipenderà esclusivamente dalla tensione di cutoff della box:

Tensione cutoff [V] Energia estraibile [mWh]
(autonomia)
3.2 4500
3.1 5800
3.0 7200
2.8 9000
2.5 10200

Notate che con una box economica in cui il cutoff è fisso a 3.2V non riuscirete ad estrarre nemmeno la metà dell’energia contenuta nella cella.
In una Box seria con cutoff a 2.8V riuscite ad utilizzare la cella al 90% circa.
E importante realizzare che se si svapa a potenza costante la richiesta di corrente varia abbastanza tra la fase iniziale in cui la cella è completamente carica e quella finale in cui la cella è scarica. A 60W con la VTC6 appena caricata vengono erogati 20 Ampere mentre quando è quasi scarica ne vengono erogati 24.

Utilizzo oltre le specifiche

Il costruttore di una cella ne dichiara le specifiche, ad esempio la massima corrente continua di scarica (DCR), il range di temperature di utilizzo e quant’altro.
I valori dichiarati non sono i valori massimi che la cella può raggiungere, ma sono i valori massimi entro i quali la cella può essere utilizzata in sicurezza e per tutta la vita dichiarata.

Ad esempio, se un produttore dichiara che una certa cella ha DCR=20A e la sua vita è 250 cicli, significa semplicemente che può essere utilizzata in sicurezza fino a 20A di scarica continua e che così facendo la vita della cella arriverà almeno a 250 cicli. Ma la cella è in grado di erogare più di 20A, anche molti di più , ad esempio 30 o 90 A, solo che superati i 20A l’utilizzo non è più sicuro e produce danni che accorciano la vita della cella. Se scaricate una cella da 20A a 40A in continua, molto probabilmente la sua temperatura finale raggiungerà valori altissimi (ben oltre i 100°C) e magari sfiaterà (fuoriuscita di gas e liquidi). Anche ammesso che non sfiati, dopo qualche ciclo a 40A sarà da buttare via. Naturalmente se la scarica invece che essere continua è pulsata (brevi attivazioni seguite da periodi di riposo) la corrente massima tollerabile sale.
Per fare un esempio concreto, una LG HG2 che scaricata in continua alla sua DCR di 20A arriva alla temperatura di 83 °C (alta ma ancora accettabile), se scaricata con pulsazioni di 5 secondi a 30A e 30 secondi di riposo, arriva a soli 58°C, valore di totale sicurezza, e la sua vita non ne risentirà più di tanto. Con la stessa modalità ma con pulsazioni da 60A la cella arriverà a oltre 100°C , temperatura pericolosa che produrrà sicuramente un danneggiamento precoce.

Ulteriori informazioni

Esiste un magnifico sito con tutte le informazioni possibili sulla tecnologia e sull’uso delle celle LiIon: Basic to Advanced Battery Information from Battery University

Articolo di:
Igiit