La batteria ricaricabile Nichel-Cadmio (NiCd)

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La batteria ricaricabile Nichel-Cadmio (NiCd)

Messaggio  Donato Prencipe il Sab Mar 14, 2009 10:04 am

La batteria nota come accumulatore nichel-cadmio (comunemente abbreviata NiCd) è un tipo molto popolare di accumulatore ricaricabile, usato spesso in apparecchi portatili dell'elettronica di consumo ed in giocattoli, ed impiega i metalli nichel (Ni) e cadmio (Cd) come reagenti chimici. L'abbreviazione NiCad è un marchio registrato della SAFT Corporation e non dovrebbe essere utilizzato per riferirsi genericamente alle batterie nichel-cadmio. Spesso vengono impiegate come un rimpiazzo delle celle primarie, come batterie per l'alto carico (heavy duty) oppure per sostituire le batterie alcaline, che sono spesso disponibili in molte delle stesse misure delle pile standard. Inoltre, le batterie NiCd hanno un mercato di nicchia nell'area dei telefoni cordless (senza cordone, come il DECT) e wireless (senza fili), nell'illuminazione di emergenza, così come in molti tipi di utensile elettrico di potenza.



Grazie al buon rapporto peso energia rispetto alle batterie basate sulla tecnologia al piombo e alla buona durata, le batterie al nichel-cadmio di maggior capacità con un elettrolita umido sono usate per le macchine elettriche e come batterie per il motore d'avviamento per gli aerei.

Le celle al nichel-cadmio hanno una tensione nominale di 1,2 volt, più bassa degli 1,5 volt delle pile alcaline o allo Zinco-Carbone, di conseguenza non sono adatte per rimpiazzarle in tutti gli utilizzi e comunque, a differenza di queste, le NiCd mantengono un voltaggio più costante durante il loro ciclo utile: dato che molti dispositivi elettronici sono progettati per operare correttamente in condizioni di carica intermedia, anche per valori inferiori a 0,9 volt per cella, la tensione di 1,2 volt per cella offerto dalle NiCd è più che sufficiente.
Da notare come il quasi costante livello di tensione delle NiCd durante l'esercizio renda più complessa la rilevazione del loro esaurimento, tema affrontato con circuiti di rilevazione più sofisticati negli apparecchi utilizzatori.
Nonostante quindi il valore nominale più basso ed il requisito di scarica completa prima di una successiva ricarica, le celle NiCd sono attualmente la scelta migliore nelle applicazioni che richiedono alte correnti: grazie alla significativamente bassa resistenza in serie, esse possono erogare alte correnti di spunto che le rendono adatte ai motori di modelli radiocomandati (aerei, navi, auto) nonché dispositivi wireless e flash fotografici.

Oltre agli elementi singoli da 1,2 volt, sono ampiamente disponibili "pacchetti" di elementi connessi in serie da complessivi 7,2, 9,6 e 12 volt con fattore di forma identico a quello delle pile comuni. Ad esempio la pila da 9 volt può essere rimpiazzata da una analoga NiCd da 7,2 volt (alcuni costruttori dispongono di modelli da 8,4 volt che rendono minima la differenza).

Vantaggi
+ Richiedono meno cura e sono più difficili da danneggiare.
+ Di solito durano molto tempo (molti cicli carica-scarica)
+ Possono solitamente essere scaricate o caricate più velocemente rispetto alle gel-cell oppure alle batterie piombo-acido.
+ Non vengono danneggiate se vengono lasciate scariche per molto tempo.

Svantaggi
- Gli accumulatori NiCd sono relativamente costosi. A confronto con gli accumulatori al piombo i materiali e le lavorazioni sono più costose.
- Possono sviluppare un falso effetto "fondo del barile", non accettando di essere ulteriormente scaricate, se molto spesso, di routine vengono portate allo stesso livello di scarica e poi ricaricate (vedi "effetto memoria" più avanti).

Dimensione, capacità e gamma di pacchetti
Ogni cella è nominalmente di 1,2 volt (se non sono cariche, se a piena carica arrivano a circa 1,25÷1,35 volt), perciò 10 celle sono nominalmente di 12 volt (se a piena carica sono 12,5÷13,5 volt).

Le batterie al NiCd hanno la possibilità di cominciare a funzionare (negli abituali circuiti elettrici a 12 V) come 11 celle a 13,2 volt nominale (se non cariche 13,75÷14,85 volt) oppure (verso la fine della loro scarica) come 12 celle, che forniscono 14,4 volt (se non cariche sono circa 15,0-16,2 volt). La spiegazione dell'utilità di questa cosa è che nelle applicazioni pratiche più diffuse servono poco più di 12V, e che si può diminuire la tensione (con un certo range di tolleranza) applicando una resistenza variabile che causa una caduta di tensione.

Le batterie NiCd destinate al consumo su grande scala sono disponibili in formati standard passando dal più piccolo “AAA” fino al tipo “D” ed anche ai modelli da 9V. Possono essere costruiti in modelli a batteria da 10, 11, o 12 celle, invece della unica cella presente nel modello standard. Versioni industriali immerse in un materiale inerte sono disponibili in dimensioni con amperaggi di 12,5 Ah, 25 Ah, 100 Ah, ed anche di più.

Range massimo di carica
Un ruolo importante consiste nella possibilità di ricaricare una batteria di alta qualità NiCd con un amperaggio pari all'80% di quello della batteria stessa (i.e. una AA NiCd di buona qualità ha un amperaggio pari a 0,9 Ah e richiede circa quarantacinque minuti per essere ricaricata fino a 1,26 A).

Manutenzione
Le batterie NiCd, a una temperatura media di 25 °C, si scaricano autonomamente del 5% ogni mese. Pertanto frequentemente occorre ricaricarle ex-novo. Non sovraccaricare, poiché l'eccessivo surriscaldamento danneggia la batteria. Se la batteria non è utilizzata per almeno un mese,spesso è necessario ricaricarla dopo il periodo di inutilizzo.

Condizioni di carica
Le batterie NiCd di alta qualità hanno un sistema termico di isolamento con il quale interrompono la carica se la temperatura è troppo elevata. Inoltre se una NiCd viene caricata mentre è ancora calda per l'utilizzo, non raggiungerà la sua massima carica. In questi casi è utile lasciare la batteria a riposo a temperatura ambiente per essere caricata in seguito.

Problemi con gli accumulatori NiCd
Effetto memoria
Molti affermano che gli accumulatori NiCd presentano il cosiddetto effetto memoria e che la loro capacità totale di carica diminuisce se vengono ricaricate prima che siano state totalmente scaricate. Il fenomeno apparente e che la batteria sembra ricordare il punto dove la sua ricarica cominciò e durante il successivo uso avrà una improvvisa caduta nella tensione fornita da quel punto, come se la batteria si fosse scaricata quasi del tutto. In realtà, a parte quello specifico punto, la capacità della batteria non si è ridotta sostanzialmente. Alcune apparecchiature elettroniche disegnate per essere alimentate dalle NiCd possono sopportare la riduzione della tensione per un tempo sufficiente a permettere che la tensione ritorni al normale. Invece, se il dispositivo non dovesse avere la capacità di operare attraverso questo periodo di diminuita tensione, e dunque se un apparato che necessita di molta potenza (come un auto elettrica) non riuscisse ad ottenerla in quel punto, si può dire anche se in maniera impropria che la batteria abbia subito una riduzione nella sua capacità. Esiste una controversia riguardo all'esistenza del memory effect,e alla sua criticità. Alcuni pensano che rappresenti un modo per promuovere gli accumulatori NiMH, che sembra soffrano molto di meno di questo fenomeno. Molti costruttori di batterie nichel-cadmio negano o tacciono su questo aspetto. Un effetto molto simile al precedente è il cosiddetto "lazy battery effect". Questo effetto è il risultato di sovraccaricamenti ripetuti; il sintomo è che la batteria sembra essere completamente carica ma si scarica immediatamente dopo un brevissimo periodo di utilizzo. Alcune volte, gran parte della capacità perduta può essere recuperata attraverso un breve e intenso ciclo di scarica mediante alcuni caricabatterie automatici. Ad ogni modo, se utilizzata correttamente, una batteria NiCd può essere caricata per più di 1000 volte prima che la sua capacità complessiva si sia ridotta del 50%.

Cortocircuitazione
Le batterie NiCd quando non usate regolarmente tendono a produrre al loro interno ,molto prima di quanto dichiarino i produttori, dei dendriti (sottili cristalli conduttori) che causano cortocircuiti e spesso la rottura della pila. Alcune volte i dendriti si possono rimuovere attraverso una forte scarica ad alta tensione alle singole celle della pila, ma una volta che il processo di formazione è iniziato difficilmente la pila può essere manutenuta correttamente.

Conseguenze ambientali
Il cadmio, dal momento che è un metallo pesante, può provocare un inquinamento sostanziale, sia quando viene gettato nella discarica di rifiuti sia quando viene incenerito. Per questo, in molti paesi sono vigenti programmi di riciclaggio per incamerare, riprocessare o stoccare in luoghi sicuri le batterie NiCd.

Sicurezza
Non corto-circuitare mai la batteria perché potrebbe esplodere. Con corto-circuito si intende la connessione diretta dei poli positivo e negativo della pila, ad esempio con un filo (questa prescrizione vale per ogni accumulatore).
Non bruciare gli accumulatori NiCd; oltre alla possibilità di esplosione, potrebbe verificarsi il rilascio di cadmio, sostanza tossica, nell'ambiente. Si consiglia al contrario di riciclare la batteria.

Confronto con altre batterie
Le batterie ricaricabili ad acido sono le più usate su larga scala (i.e. in praticamente tutte le automobili). Tuttavia, hanno una densità di carica molto più bassa delle NiCd. Nonostante i costi elevati di queste ultime,nei casi in cui problematiche come dimensione e peso risultano essere fondamentali, le NiCd vengono preferite alle altre tipologie.

NiCd hanno una capacità più bassa delle loro concorrenti principali, le classiche alcaline. Tuttavia la vita media di una NiCd è sicuramente più lunga,dato che la maggior parte delle alcaline non può essere ricaricata. Negli anni '90, Rayovac ha lanciato sul mercato una pila alcalina ricaricabile, la Renewal, che anche se più costosa, aveva iniziato a rimpiazzare le NiCd. Tuttavia molti anni dopo questo progetto fu abbandonato.

Le batterie NiMH sono simili alle NiCd, ma molto meno tossiche e dalle capacità più elevate. Da quando sono state messe in commercio nel 1990, le pile NiMH hanno conquistato una grossa fetta del mercato. Tuttavia, le NiCd hanno tuttora tre principali vantaggi sulle NiMh, .Innanzitutto il costo più basso.In secondo luogo il fattore di scarica automatica,del 20% mensile per le NiCd, del 30% per le NiMh. Infine il fatto che le NiCd mantengono un voltaggio costante in modo che le apparecchiature possano funzionare correttamente.

In futuro, un'altra nuova tecnologia di pile alcaline, le super iron battery, potrebbe prendere il sopravvento. Fino ad oggi, sono stati prodotti solo prototipi funzionanti, ma si pensa che queste batterie avranno una capacità superiore del 50% alle alcaline, e potranno essere ricaricate per più di 300 volte.

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