Introduzione
Il 2014 è ormai parte del passato, e una nuova generazione di dispositivi si staglia all'orizzonte. È ora di guardare avanti e scoprire cosa ci riserva il futuro degli smartphone. Inizieremo concentrandoci sulle tecnologie delle batterie, presenti e future, assieme a qualche consiglio che vi permetterà di migliorare l'autonomia dei vostri dispositivi. Le prestazioni della batteria – sia per quanto riguarda la durata che la ricarica – è un'area in cui c'è molto spazio di miglioramento, e ci sono diverse tecnologie in sviluppo che mirano a questo risultato. In questo articolo ci saranno molti riferimenti a chimica e fisica delle batterie. Non siamo né chimici né fisici, quindi se qualche addetto ai lavori dovesse notare qualche imprecisione, lo preghiamo di segnalarcela, nonostante le informazioni di base che vogliamo comunicare rimangono corrette.
Le batterie al litio
Le tecnologie delle batterie ricaricabili si sono continuamente evolute per tenere testa agli incrementi di prestazioni dei dispositivi elettronici portatili, un vero e proprio "hot topic" nella comunità scientifica. La maggior parte delle batterie usa una chimica basata sul litio, le più comuni sono quelle agli ioni di litio (Li-ion) e ai polimeri di litio (Li-po). Le batterie agli ioni di litio hanno rimpiazzato quelle al nichel-cadmio (Ni-Cad) alla fine del ventesimo secolo, aumentando drasticamente la capacità e riducendo nel contempo il peso.
Le batterie Li-ion sono generalmente prodotte sotto forma di celle a bottone o come lunghi cilindri metallici (di forma e dimensioni simili a quelle di una batteria AA), impacchettati poi per formare la batteria che trovate dentro alcuni telefoni. Questa soluzione offre un rapporto di capienza per volume decisamente inefficiente. Le batterie Li-po sono state realizzate alcuni anni dopo, usano la stessa chimica di base, ma il solvente liquido è stato rimpiazzato da un composto polimerico solido, e la batteria stessa è incapsulata in una laminazione plastica, anziché un contenitore in metallo rigido, offrendo un po' più di flessibilità d'uso.
La maggior parte delle batterie basate sul litio usa un processo chimico dove gli ioni di litio (Li+) si muovono dall'anodo (elettrodo positivo) al catodo (elettrodo negativo) attraverso una soluzione elettrolitica, rilasciando elettricità al circuito (e quindi alimentando il vostro smartphone e tablet). Durante la ricarica il processo è quello inverso, cioè gli ioni Li+ sono assorbiti dall'anodo. La capacità della batteria è essenzialmente definita dal numero di ioni Li+ che l'anodo è in grado di assorbire. Praticamente tutte le batterie al litio commerciali hanno anodi in grafite, con un'ampia superficie regolare per massimizzare l'assorbimento di ioni.
Le batterie al litio, purtroppo, si degradano nel tempo, e questo processo è velocizzato ad alte temperature, specialmente durante la ricarica, un processo che incrementa di per sé la temperatura. E lo stesso accade quando si usa il dispositivo, azione che alza la temperatura del dispositivo stesso, come tutti vi sarete accorti. Questo è il motivo per cui è consigliabile usare un caricatore a basso amperaggio per la ricarica notturna, poiché la ricarica veloce causa un notevole incremento della temperatura della batteria.
Le batterie al litio si degradano nel tempo, e questo processo è velocizzato alle alte temperature.
Questo processo d'invecchiamento è causato dal cambiamento chimico e strutturale degli elettrodi. Gli ioni Li+ possono nel tempo danneggiare la superficie degli elettrodi. I sali di litio che costituiscono l'elettrolita possono cristallizzarsi sugli elettrodi, intasando i pori e prevenendo l'assorbimento di ioni Li+. La degradazione delle batterie è comunemente conosciuta come "efficienza di Coulomb", che descrive il rapporto tra la quantità di elettroni estratti dall'anodo e la quantità di quelli che è in grado di assorbire durante la ricarica. Solitamente questa efficienza è nell'ordine del 99.9% per le batterie commercializzate.
Una delle preoccupazioni maggiori con le batterie Li-ion e Li-po è il rischio che prendano fuoco se sovraccaricate, surriscaldate o danneggiate. I circuiti di ricarica dei dispositivi portatili sono progettati per prevenire i primi due effetti, ma se qualcosa non dovesse funzionare, la situazione potrebbe diventare pericolosa, in quanto l'accumulo di calore potrebbe trasformarsi in una deriva termica. In altre parole, esplodere. Il rischio di forare la batteria è raro, in quanto sono solitamente protette dai dispositivi stessi che le ospitano. Un fattore che a volte non viene considerato è la ventilazione, necessaria per migliorare la dissipazione del calore generato durante il funzionamento. Inoltre permette di prevenire la generazione di solventi infiammabili nel caso di danneggiamento, e quindi evitare esplosioni.