Batterie per iPhone (tutta la verità) - parte prima

 Da tempo voglio trattare l'argomento batterie per iPhone, ma la lunghezza della trattazione e la poca disponibilità mi hanno fatto desistere; approfitto di qualche ora di tempo libero per cominciare la trattazione.

Partiamo con la descrizione di qualche unità di misura, tanto per chiarirci le idee. Banalmente, la tensione si misura in Volt, la corrente in Ampère, ma in realtà è la capacità il parametro più interessante di una batteria. La capacità, però, a differenza di tensione e corrente che risultano istantaneamente misurabili con il tester, è un valore legato al tempo, ovvero alla capacità di una batteria di erogare corrente in un certo lasso di tempo. Il suo valore si misura in Ah (Ampère per ora), o meglio mAh (milli-Ampère per ora).

Le batterie per iPhone hanno una capacità dichiarata intorno a 1,15-1,20 Ah, e questo permette tempi di funzionamento che variano in relazione prima di tutto al tipo di utilizzo, ma anche ai limiti fisici della batteria. Esaminiamoli entrambi, cercando di capire come si può effettuare una prova scientifica per testare una batteria e soprattutto confrontarla con altre.

Tipo di utilizzo: comporta l'erogazione, da parte del telefono, di diversi valori di corrente. Se, ad esempio, effettuiamo una chiamata l'iPhone richiederà alla batteria una certa quantità x di corrente, mentre se usiamo la wireless l'iPhone richiederà alla batteria una cerca quantità di corrente diversa da x, diciamo y. In stand-by l'iPhone richiederà alla batteria una quantità z, e come ordine di grandezze in generale è y>x>>z, ovvero y è una quantità (di poco) maggiore di x, ed entrambe sono una quantità molto maggiore di z. Detto questo, capire quanto durerà una batteria su un iPhone è veramente difficile, poiché la durata dipende dal tipo di utilizzo, per cui per effettuare un test di comparazione è bene usare sempre la stesso parametro, ovvero la stessa corrente di scarica. Il suo valore può essere fissato in 500mAh, ciò permette i scaricare completamente una batteria standard in poco più di due ore, e effettuare più cicli di carica-scarica nell'arco di una giornata. Volendo può essere usata una corrente di scarica di 200mAh, che si avvicina al consumo dell'iPhone durante una conversazione telefonica, ma in questo modo una scarica completa durerebbe circa 6 ore.

Limiti fisici di una batteria Li-Po: le Li-Po, come tutte le batterie, sono aggregati chimici che accumulano energia durante la fase di carica, per rilasciarla poi nella fase di scarica. Essendo aggregati chimici, sono soggette a reazioni chimico-fisiche durante le quali accadono alcuni fenomeni che ne alterano i parametri caratteristici. Senza entrare nel dettaglio, nelle Li-Po un parametro caratteristico è la tensione minima, che non può scendere sotto i 2,7V (altrimenti si gonfiano danneggiando irreparabilmente una parte di elettrolita, diminuendo quindi la capacità della batteria), quella massima non può salire sopra i 4,2V (altrimenti esplodono). Tutte le batteria Li-Po in commercio destinate ad un pubblico "domestico" vengono vendute con un circuito di protezione che non permette di superare tali parametri, per cui anche le batterie dell'iPhone sono dotate di tale circuito. Altre batterie Li-Po destinate all'industria, invece, non hanno il circuito di protezione poiché questo è inserito nel dispositivo che le racchiude (caso tipico delle batterie per laptop con i terminali "a saldare"). Anche la temperatura di funzionamento è importante, in modo che le reazioni chimiche all'interno della batteria si svolgano normalmente senza eccessi o difetti. Il range di temperatura di funzionamento per una Li-Po è di 0-35 °C, mentre al di sotto di -20°C e al di sopra di 45°C non dovrebbe essere usata, pena un decadimento notevole delle prestazioni.

Consideriamo ora un altro parametro: la resistenza interna. E' un parametro elettrico che dipende dalla difficoltà degli elettroni di carica a muoversi all'interno dell'elettrolita, quindi è legato anche questo alla chimica della batteria. Le batteria Li-Po hanno tipicamente una resistenza elettrica più bassa delle similari Li-Ion (ioni di litio), e questo si traduce in diversi vantaggi. Il primo è legato alla corrente di auto-scarica. E' ovvio che la corrente immagazzinata in una batteria non può durare in eterno. La corrente di auto-scarica è quella corrente che viene consumata dalla batteria stessa quando non è collegata ad alcun carico, e che è sempre indice della bontà di una batteria, se è bassa la batteria è di qualità. In una buona batteria Li-Po la corrente di auto-scarica è talmente bassa che la batteria può essere stoccata per anni senza che perda significativamente la carica.

La resistenza interna e la corrente di auto-scarica sono legate dalla stessa fenomenologia: la mobilità degli elettroni di carica, che a sua volta dipende dalla bontà della membrana semipermeabile che filtra gli ioni positivi rispetto a quelli negativi. Il discorso è un pò troppo tecnico per questa trattazione, ma dà l'idea di cosa si parla. Se la membrana è selettiva al 100%, e l'elettrolita ha le sue caratteristiche chimico-fisiche inalterate, la corrente di scarica e ila resistenza interna rientrano nei valori tipici delle Li-Po. Se, al contrario, la membrana è parzialmente compromessa (per fattori dovuti, ad esempio, all'eccessivo caldo, o freddo, o a perforazione o forti urti meccanici) o l'elettrolita si è cristallizzato perdendo mobilità (motivazioni simili alle precedenti) sia la resistenza interna che la corrente di auto-scarica risultano eccessivi, compromettendo la capacità e il funzionamento della batteria.

La resistenza interna è variabile inoltre durante il normale funzionamento della batteria. Nel processo di carica, infatti, la resistenza interna aumenta man mano che la batteria raggiunge la sua capacità massima. I caricabatterie per le Li-Po (e in generale per tutte le batterie al litio) tengono conto della variazione di resistenza interna per terminare il processo di carica. Verso il punto di fine-carica la resistenza interna aumenta, e poiché il processo si svolge a tensione costante (a 4,20V) il caricabatteria si ferma quando la corrente assorbita sarà di circa il 1% quella di carica (per l'iPhone circa 10mA).

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