Batterie AGM

Le batterie AGM (Absorbed Glass Mat – acido assorbito in microfibra di vetro) sono caratterizzate da piastre al piombo-calcio espanso separate da panni in microfibra di vetro imbevuti di soluzione elettrolitica solidificata e compresse per assicurare una elevata conducibilità. Le piastre mantengono la stessa configurazione a griglia, ma possono essere di tipo avvolto a spirale oppure piatte, sospese verticalmente come nelle celle con elettrodi a immersione o in quelle al gel. A fronte di un maggiore costo presentano il vantaggio di assicurare maggiori flussi di corrente importantissimi negli avviamenti a freddo e di avere una durata maggiore delle celle immerse (numero di cicli), caratteristica molto importante in quelle applicazioni dove vengono richieste elevate e frequenti correnti di carica e scarica, come ad esempio nei veicoli “Stop Start” e in quelli con frenata rigenerativa.
Struttura di batteria AGM Exide con piastre a griglia piatta verticale. I separatori in microfibra 
di vetro sono imbevuti di soluzione elettrolitica 
acida.










Struttura di batteria Exide AGM orbital con piastre a griglia avvolte a spirale. I separatori in microfibra di vetro sono imbevuti di soluzione elettrolitica acida.







Batterie al Gel

La batteria al Gel viene anche denominata SLA (Sealed Lead Acid – piombo-acido sigillato). Ha una struttura identica alla classica batteria a elettrodi immersi, ma presenta un elettrolito solidificato anziché liquido. Nella soluzione di acqua e acido solforico viene disciolta polvere di silice che ne provoca la solidificazione.
Il gel presenta le stesse proprietà della soluzione liquida in termini di conducibilità ed efficacia della reazione chimica con il vantaggio di ridurre considerevolmente il consumo di acqua e la formazione di vapori, assicurare la completa copertura delle piastre ed evitare il rischio di perdite anche in caso di spostamento e inclinazione della batteria. Questa caratteristica presenta notevoli vantaggi in particolari applicazioni motoristiche (es. motoveicoli, competizioni, motonautica, aero-leggeri), o per alimentare dispositivi trasportabili operanti in ambienti chiusi con poca ventilazione (es. gruppi di continuità) o quando la batteria è installata nell’abitacolo del veicolo.

Ridotto effetto elettrolitico dell’acqua.
Riconversione dell’idrogeno e dell’ossigeno in acqua all’interno della cella

Vantaggi della batteria al piombo-acido e le sue tipologie

Vantaggi della batteria al piombo-acido:

– Bassa resistenza interna
– Elevata corrente di picco
– Elevata efficienza di carica/scarica
– Basso costo
– Completa riciclabilità dei materiali



Tipi di batterie al piombo-acido

La batteria al piombo-acido con elettrodi immersi ha mantenuto lo stesso principio di funzionamento e gli stessi materiali di base della cella di Plantè del 1859, ma nel tempo ha subito diverse evoluzioni che ne hanno migliorato prestazioni, affidabilità e durata. Negli ultimi decenni la batteria a elettrolito liquido è stata affiancata da nuovi tipi appositamente studiati per risolvere alcuni limiti di utilizzo e alcune problematiche legate a particolari applicazioni:

Batterie senza manutenzione

Si tratta di batterie con elettrodi immersi caratterizzate dall’utilizzo di piastre al piombo-calcio che riducono il consumo di acqua durante i cicli di carica e scarica e permettono elevate correnti di spunto negli avviamenti a freddo (CCA). Il coperchio contiene dei condotti per il recupero dell’acqua che si genera nelle reazioni chimiche. L’acqua ricade all’interno delle celle evitando così i rabbocchi di acqua distillata per il ripristino del livello dell’elettrolito. Alcuni modelli presentano il cosiddetto occhio magico che visualizza lo stato di carica attraverso il colore del galleggiante presente sul fondo della sonda di rilevamento. Il galleggiante si sposta in base alla densità dell’elettrolito: affiora quando la densità è più alta e affonda quando la densità diminuisce in base allo stato di carica cambiando il colore visualizzato nell’oblò.
Batterie senza manutenzione con oblò di visualizzazione dello stato di carica (occhio magico)

Batterie VRLA

Sotto questa denominazione vengono classificate le batterie al Gel e le AGM, tutte senza manutenzione. La sigla VRLA (Valve Regulated Lead Acid – piombo-acido regolata da valvola) identifica la presenza di una valvola di regolazione della pressione che si apre al di sopra di determinati valori per permettere l’evacuazione dei gas generati durante la reazione elettrolitica Il coperchio permette la ricaduta dell’acqua all’interno delle celle limitandone quindi il consumo.

Tappo di chiusura di celle VRLA 
La valvola permette la fuoriuscita calibrata dei gas all’interno della cella

Classificazione delle batterie

A) Secondo la tecnologia costruttiva

1. Batterie con piastre positive e negative in lega piombo-antimonio
2. Batterie ibride (piastre positive piombo-antimonio e negative piombo-calcio)
3. Batterie con piastre positive e negative in lega piombo-calcio

B) Secondo il tipo di utilizzo

1. Batterie con manutenzione
2. Batterie a ridotta manutenzione
3. Batterie senza manutenzione

C) Secondo le richieste di mercato (e di costo)

1. Batterie ad elettrolito liquido cariche
2. Batterie cariche secche (da riempire)
3. Batterie ermetiche a ricombinazione di gas (Gel, AGM)

D) Secondo il tipo di applicazione

1. Batterie per auto
2. Batterie per veicoli industriali
3. Batterie per camper, nautica, moto e altre applicazioni motoristiche
4. Batterie per uso industriale (carrelli elevatori, montacarichi, etc…) 
In base ai suddetti differenti utilizzi è importantissimo adottare i criteri di conservazione e le procedure di magazzino più idonee.
Autoscarica in base al tempo e alla temperatura ambiente. A una temperatura di 35°C la carica della batteria può scendere al 50% dopo 6 mesi, con possibile rischio di solfatazione irreversibile se non si provvede alla ricarica e al mantenimento della carica.

Resistenza interna e tensione disponibile sul circuito

Circuito aperto

A circuito aperto, in assenza di carico elettrico, la resistenza interna della batteria è ininfluente per il passaggio della corrente nel voltometro; pertanto la tensione nel circuito si mantiene al di sopra dei 12V.
Circuito chiuso
A circuito chiuso le resistenze R e r vengono collegate in serie pertanto la tensione nominale della batteria si ripartisce in base ai valori delle due resistenze. Nel nostro esempio la resistenza esterna R mantiene una tensione di alimentazione di 11V, mentre la resistenza interna r riceve e utilizza il rimanente 1V.

La resistenza interna della batteria deve essere sempre la più bassa rispetto a quella di tutti i componenti dell’impianto elettrico al fine di minimizzare la caduta di tensione durante il funzionamento e assicurare la corretta tensione di alimentazione. Poiché la resistenza interna tende ad aumentare con lo stato di carica basso, la solfatazione e l’invecchiamento, in alcune condizioni particolarmente critiche come l’avviamento a freddo si può verificare un eccessivo abbassamento della tensione sull’impianto elettrico con conseguente stato di avaria, accensione delle spie e, nei casi più gravi, perdita dei dati in memoria delle centraline di controllo elettronico.

La resistenza interna

La resistenza interna è un parametro poco considerato ma di grande importanza che influisce enormemente sulle prestazioni della batteria, soprattutto nelle condizioni critiche degli avviamenti a freddo e in presenza d impianti elettrici complessi con accessori e sistemi elettronici sofisticati e nei nuovi veicoli “Stop-Start”.
La resistenza limita il passaggio della corrente elettrica, soprattutto quando le richieste energetiche dell’impianto elettrico sono elevate, causando un abbassamento della tensione di esercizio dell’impianto con conseguenti possibili problemi ai sistemi elettronici particolarmente sensibili ai cali di tensione.
Esempio di resistenza con riduzione della pressione e della portata in un circuito idraulico

La resistenza interna della batteria dipende da svariati fattori tra cui:

Caratteristiche costruttive della batteria
– Capacità nominale
– Stato di carica
– Età e stato di manutenzione
– Solfatazione


Caratteristiche costruttive
– Numero e dimensioni delle piastre a parità di peso e volume della batteria e maggiori sono le superfici e le sezioni di passaggio della corrente elettrica, quindi minore resistenza
– Qualità dei materiali (resistività) e trattamento superficiale (resistenza)
– Permeabilità ionica del separatore (PVC, polietilene, gomma porosa, etc…)
Capacità nominale
– Maggiore è la capacità nominale in Ah più grande è la batteria, la capacità di immagazzinare corrente è funzione della quantità delle materie attive.

Stato di carica (quando è basso)

– La densità dell’elettrolito è bassa con conseguente riduzione della conducibilità elettrica
– Il deposito di solfato di piombo sulle piastre causa un aumento della resistenza

Età e stato di manutenzione

– Le particelle di biossido di piombo depositato sul fondo della cella tocca le piastre causando un aumento del rischio di corto-circuiti
– La solfatazione permanente delle piastre ne fa aumentare la resistenza
– La diminuzione della densità dell’elettrolito ne riduce la conducibilità elettrica
– Il basso livello dell’elettrolito riduce la conducibilità tra le piastre e favorisce la corrosione

Solfatazione

– Il deposito permanente di solfato di piombo sulla superficie delle piastre fa aumentare la resistenza delle piastre.
NOTA. La solfatazione può essere causata da una eccessiva scarica e/o dalla mancata ricarica della batteria e dalla prolungata esposizione a tensioni di cella inferiori a 1.8 V (10.8V per la batteria a 12V)

Esempio di piastre solfatate

Cristalli di solfato di piombo depositati sulle piastre

Ricarica delle batterie al piombo-acido

Curve caratteristiche di ricarica delle batterie al piombo-acido

La linea tratteggiata indica la corrente (A), mentre la linea continua orizzontale in alto indica la tensione (V). Nelle prime 3 ore di carica (Stage 1) la tensione aumenta fino al valore di cella carica (2.3 V circa) con una corrente di 1A costante (linea tratteggiata). Successivamente (Stage 2) la tensione si stabilizza mentre la corrente di carica diminuisce progressivamente fino alla completa ricarica della cella che avviene dopo circa 10 ore. Nell’ultima fase (Stage 3) la tensione di cella si stabilizza al valore nominale, mentre la corrente aumenta leggermente per compensare l’auto-scarica della batteria (corrente di mantenimento).

Metodo EIS Electrochemical Impedance Spectroscopy (analisi spettroscopica dell’impedenza elettrochimica)

Per evitare i tempi di attesa necessari per determinare lo stato di carica mediante il voltometro e considerando l’impossibilità di utilizzare l’idrometro con le batterie di nuova generazione nel corso degli anni sono stati sviluppati nuovi metodi e strumenti di misura dello stato di carica della batteria, decisamente più versatili, completi e veloci. Il metodo EIS alla base del funzionamento di alcuni strumenti di controllo delle batterie permette di misurare contemporaneamente la capacità nominale effettiva (Ah), e il SoC (stato di carica). Dopo aver selezionato la tensione e la capacità nominale lo strumento di misura invia sulla batteria un segnale in corrente alternata a 20-2000 Hz per 15 secondi.
Il risultato viene quindi elaborato in pochissimi secondi sulla base di modelli matematici molto complessi (a matrice multipla) che forniscono un dato attendibile al 90-95% indipendentemente dalla temperatura e dai tempi di riposo dopo una carica o un utilizzo della batteria. Lo strumento inserisce anche un carico di corrente costante fino a 30A in base alla tensione e alla capacità nominale della batteria precedentemente selezionate senza tener conto dello stato di carica attuale della batteria. Nel caso in cui viene rilevato un SoC inferiore al 40% lo strumento richiede di effettuare una ricarica completa della batteria e di ripetere la prova.

Densità – Tensione a vuoto

Densità


L’idrometro (o densimetro) è uno strumento semplice, economico e affidabile, ma ormai poco utilizzabile per via della sempre maggiore diffusione delle batterie sigillate non ispezionabili e di quelle al Gel o AGM con elettrolito solidificato o assorbito. La densità può essere misurata al momento o dopo un ciclo di carica lenta completa. Nel primo caso la densità indicherà lo stato di carica momentaneo, mentre nel secondo darà una indicazione dello stato di efficienza e di invecchiamento della batteria.






Tensione a vuoto

La tensione a vuoto è un buon indicatore dello stato di carica della batteria, ma non è sempre attendibile:

– Se la batteria è stata da poco sottoposta a un forte  carico elettrico (es. motorino di avviamento) la tensione a vuoto risulterà più bassa del valore effettivo, pertanto occorrerà aspettare circa mezz’ora per farla ripristinare;
– Se la batteria è stata ricaricata da poco la tensione  viceversa risulterà più elevata di quella effettiva, occorrerà pertanto attendere circa 6 ore per avere una misura attendibile.
Tensione di ricarica, corrente di ricarica e tempo di ricarica differiscono leggermente tra i diversi tipi di batteria (elettrolito liquido, Gel o AGM).
Tensione a vuoto della batteria a riposo in funzione della percentuale di carica

Stato di carica delle batterie e ricarica a valori costanti (batterie a elettrolito liquido)

Esempio di batteria da 100 Ah


Stato di carica della batteria compreso tra 80% e 90% – è opportuno ricaricare la batteria a 1/10 della capacità per 1 ora per stabilizzare la carica (es.: batteria da 100 Ah, ricaricare a 10 A per 1 ora)

La batteria deve essere ricaricata

Sotto i 12,2 V la batteria è in stato di solfatazione, quindi necessita di 2 fasi di carica
per sciogliere i solfati; è necessario controllare la tensione 12 ore dopo la fine della
carica completa per verificare che corrisponda ai valori di batteria carica

NOTA:
non impostare mai la ricarica oltre il 10% della capacità nominale della batteria