Alimentare dispositivi miniaturizzati con celle al litio ricaricabili

VARTA_CoinPower 2016_Fig 2

Riduzione di spazio e peso sono due dei principali problemi che ogni progettista di prodotti elettronici portatili si trova a dover affrontare per soddisfare alle esigenze dei consumatori che richiedono dispositivi sempre più sottili, leggeri ed eleganti. Senza dimenticare che nel caso di alcuni prodotti specifici, come ad esempio gli auricolari, il fattore di forma deve soddisfare a precisi vincoli di natura fisica (la dimensione dell'orecchio umano). Nel settore dell'elettronica, la costante riduzione delle dimensioni dei circuiti prevista dalla legge di Moore ha aiutato i progettisti a integrare un numero sempre maggiore di funzionalità in spazi via via più ridotti. Purtroppo nel settore dell'immagazzinamento dell'energia, è la chimica e non l'elettronica a determinare l'entità della riduzione delle dimensioni e nel campo della chimica non esiste un equivalente della legge di Moore che stabilisca la diminuzione, anno dopo anno, delle dimensioni delle celle di una batteria. Tuttavia, l'evoluzione tecnologica delle batterie è ora in grado di fornire alcune risposte alla richiesta degli Oem di poter disporre di una maggiore quantità di energia in un volume minore.


Superare gli svantaggi della tecnologia al litio
Nel settore dell'elettronica consumer vari tipi di tecnologie a ioni di litio sono stati adottati su larga scala: le varie composizioni chimiche adottate per le batterie ricaricabili a ioni di litio garantiscono migliori rapporti tra capacità e volume e tra capacità peso rispetto a qualsiasi altro tipo di formulazione chimica adottata per le batterie attualmente prodotto in volumi. Questa è la ragione per la quale i dispositivi portatili con vincoli severi in termini di dimensioni e peso come tablet e telefoni mobili sono equipaggiati con celle ricaricabili a ioni di litio. In passato gli Oem hanno incontrato grandi difficoltà nel ridurre le dimensioni delle batterie a ioni di litio da utilizzare in dispositivi molto più piccoli di un telefono mobile come ad esempio le cuffie wireless che adottano la tecnologia radio Bluetooth. In passato per le cuffie wireless di questo tipo veniva utilizzato un assemblaggio custom per le batterie a ioni di litio. La cella era inclusa in un foglio di alluminio in modo tale da formare una sorta di bustina (pouch) con connessioni volanti per il collegamento con il dispositivo host. Si trattava di un assemblaggio complesso e relativamente ingombrante. Oltre a ciò, batterie di questo tipo sono difficili da gestire su una linea di produzione: esse richiedono un assemblaggio di tipo manuale e quindi sono intrinsecamente esposte a problemi di qualità e a rischi di danneggiamento. Un contenitore di questo tipo, inoltre, non è particolarmente robusto ed è quindi più facilmente soggetto a guasti prematuri nel momento in cui viene sottoposto a sollecitazioni e vibrazioni. Ciò rappresenta un indubbio svantaggio nel caso di cuffie e auricolari che potrebbero essere soggette a frequenti cadute oppure essere utilizzate nel corso di attività fisiche o sportive. Senza dimenticare che un assemblaggio di tipo custom presenta più rischi, in termini di fornitura, rispetto a un componente standard che viene prodotto e immagazzinato in elevati volumi per soddisfare le richieste di più clienti. Tutti questi svantaggi hanno indotto Varta Microbattery a sviluppare una soluzione alternativa rispetto alle batterie del tipo "a bustina" utilizzata per dispositivi miniaturizzati come le cuffie wireless. Il prodotto messo a punto dalla società, denominato CoinPower, è la prima batteria a ioni di litio ricaricabile di tipo a bottone in grado di garantire la capacità richiesta dai dispositivi consumer di piccole dimensioni. Le celle a bottone della prima generazione erano disponibili in versioni con diametro di 12 e 16mm e fornivano una tensione di uscita media di 3,7 V. Alla base dello sviluppo delle celle CoinPower vi è la tecnologia messa a punto da Varta che ha permesso la produzione automatizzata di celle a bottone con elettrodi avvolti. Il metodo utilizzato per l'avvolgimento degli elettrodi sfrutta in modo ottimale lo spazio cilindrico a disposizione all'interno del contenitore. Oltre a ciò, Varta ha ideato un progetto (brevettato) per la chiusura del contenitore. L'abbinamento di queste tecnologie garantisce una più elevata densità di energia rispetto a quella che caratterizza le tradizionali celle a bottoni a ioni di litio con elettrodi impilati o disposti a strati. La produzione completamente automatizzata che viene effettuata nella fabbrica tedesca di Varta assicura un elevato livello di ripetibilità e garantisce il funzionamento di ogni singolo prodotto in conformità alle specifiche imposte. La strategia della società prevede un ulteriore ampliamento della capacità produttiva di questo impianto per soddisfare il futuro aumento della domanda previsto per i dispositivi della serie CoinPower. La maggiore capacità dei prodotti della famiglia CoinPower ha garantito un vantaggio competitivo ai produttori di cuffie wireless Bluetooth. In questo particolare settore i produttori sono in competizione tra loro per offrire il tempo di conversazione più lungo per ogni singola carica. La durata di questo tempo di conversazione è fortemente influenzata dalla capacità totale della batteria del dispositivo, oltre che dalle perdite di potenza dei circuiti che compongono il dispositivo. Oltre a ciò una cella a bottone di elevata capacità è in grado di offrire: semplicità di assemblaggio nell'apparecchiatura finale con l'eliminazione di quasi tutti i rischi di danni grazie al contenitore in acciaio inossidabile rigido e robusto ed elevato livello di precisione nella progettazione meccanica dell'assemblaggio della batteria.
Elevata resistenza alle sollecitazioni e alle vibrazioni grazie anche in questo caso alla robustezza del contenitore in acciaio inossidabile. Anche se il progetto dell'elettrodo della batteria CoinPower riveste un ruolo cruciale nella produzione di una cella contraddistinta da un'elevata densità di energia, un altro aspetto da sottolineare sono le ridotte dimensioni del circuito elettronico di supporto. Una cella CoinPower richiede un solo dispositivo di protezione standard reperibile a un costo estremamente contenuto presso produttori quali Seiko e Mitsumi, oltre a due componenti passivi. Per il controllo del processo di carica della cella è possibile ricorrere a uno qualsiasi dei numerosi integrati per la carica della batteria disponibili. L'ingombro di questo circuito è sensibilmente inferiore rispetto a quello delle più complesse schede Pcb utilizzati per i pacchi di batterie di tipo custom. Il circuito di supporto, inoltre, non deve essere posizionato in prossimità alla batteria, garantendo ai progettisti di sistemi la più totale libertà in termini di ottimizzazione del layout della scheda e di progettazione meccanica.
Poichè la batteria CoinPower è un componente standard e il circuito di supporto può essere implementato utilizzando componenti liberamente reperibili sul mercato, i produttori di dispositivi possono evitare i costi di progettazione e di produzione e i rischi connessi all'uso di pacchi di batterie di tipo custom, soddisfacendo nel contempo l'esigenza di poter disporre di un'elevata capacità in un dispositivo di dimensioni ridotte. La sicurezza è un altro fattore che ha contribuito alla diffusione su larga scala dei prodotti CoinPower di prima generazione. Le batterie a ioni di litio operano in modo sicuro all'interno dei limiti di tensione e corrente nominale specificati ma, in presenza di fenomeni di sovra corrente o di sovra temperatura, si possono generare fenomeni di deriva termica che a loro volta possono provocare l'esplosione o l'incendio del dispositivo. Per questa ragione una batteria a ioni di litio richiede la presenza di un circuito di sicurezza e protezione in grado di scollegare dal punto di vista elettrico la cella nel momento in cui vengono superati i valori limite della soglia di sicurezza. Le celle CoinPower di Varta integrano un meccanismo di protezione, indipendente da qualsiasi circuito esterno, che arresta il funzionamento delle celle stesse prima che esse entrino in uno stato non sicuro indotto da sovra correnti. Si tratta di una funzione di protezione supplementare che garantisce la sicurezza dell'utilizzatore. Questo dispositivo di interruzione della corrente è un fusibile meccanico: nel momento in cui la pressione all'interno della cella supera un determinate livello - situazione che si verifica quando la cella è caricata con correnti o tensioni di valore eccessivo - gli involucri superiore e inferiore si separano leggermente e in modo controllato al fine di interrompere il circuito e scollegare in maniera permanente la batteria. Le celle CoinPower sono state studiate per resistere a condizioni di sovra-carica di 12V/3C, una condizione di sollecitazione di gran lunga superiore rispetto a quella prevista dagli standard in vigore in ambito industriale.

Miglioramenti nel funzionamento delle celle a bottone
Le celle a bottoni a ioni di litio sono di gran lunga le batterie più utilizzate dai produttori di dispositivi portatili di ridotte dimensioni che richiedono una capacità pari o superiore a 50 mAh. Esse sono utilizzate non solamente per i dispositivi consumer ma anche in apparecchiature destinate ai settori industriale e medicale, dove robustezza, elevata capacità e lunghi cicli di vita sono fattori cruciali. I vantaggi intrinseci dei prodotti CoinPower originali sono stati ulteriormente ampliati con l'introduzione delle celle delle famiglie A2 e A3. I miglioramenti apportati alla formulazione chimica e alle tecniche di produzione hanno permesso di incrementare la capacità delle celle CoinPower, oltre ad aumentare il loro ciclo di vita. Le dimensioni e la capacità di queste celle ben si adattano alle dimensioni e alla forma dell'orecchio umano e alle esigenze dei produttori di auricolari che realizzano prodotti utilizzano la tecnologia “true wireless”. Nel caso delle batterie ricaricabili per ciclo di vita si intende il numero di cicli di carica/scarica completi che è in grado di supportare, solitamente pari a 500 cicli a una temperatura di 20°C. Le specifiche fornite da Varta evidenziano che dopo 500 cicli di carica/scarica veloce eseguiti in laboratorio, le celle CoinPower A2 mantengono una percentuale superiore all'80% della propria capacità originale. In condizioni operative meno severe dopo 500 cicli la batteria è in grado di mantenere una percentuale superiore all'85% della capacità originale. Nelle applicazioni reali, gli utenti sono in grado di ottenere prestazioni decisamente superiori per quel che concerne il ciclo di vita: quanto integrate nel prodotto finale, le celle sono in grado di supportare oltre 1.000 cicli di carica/scarica.

Celle a bottoni al litio di ridotte dimensioni
Le richieste da parte dei produttori di dispositivi consumer di poter disporre di capacità più elevate in spazi via via più ridotti non accennano a diminuire. Tra i dispositivi di nuova generazione che stanno "mettendo a dura prova" i limiti della capacità delle celle vi sono le cosiddette cuffie "true wireless" (senza cavo): si tratta di auricolari che non prevedono cavi per la connessione sia tra i due auricolari sia con il dispositivo host wireless, come nel caso degli auricolari Dash di Bragi. In questo prodotto vi sono due radio, una per ciascun auricolare, invece che una singola radio come accade nelle cuffie wireless tradizionali. In questo prodotto "true wireless" l'assorbimento di potenza totale è superiore per cui è richiesta una batteria in ogni auricolare.
Per soddisfare questo e altri nuovi requisiti Varta è impegnata nello sviluppo dei prodotto CoinPower di terza generazione che verranno introdotti nella seconda metà del 2016 e saranno caratterizzati da valori di capacità e densità di energia ancora più elevati – in misura pari a circa il 20% - grazie ai miglioramenti apportati alla formulazione chimica delle batterie, al progetto dell'elettrodo e alla tecniche di produzione. Questi nuovi prodotti saranno anche disponibili in versioni con celle di diametro pari a 14 mm, oltre a quelle da 12 e 16mm attualmente disponibili sul mercato. Grazie agli sviluppi attuali e futuri, la società è in grado di soddisfare la crescente domanda di batterie affidabili e facili da assemblare, caratterizzate da alta capacità e fornite sotto forma di celle a bottone. Grazie alle celle CoinPower, che hanno vinto numerosi premi in tutto il mondo, consumatori e utilizzatori di numerosi tipi di apparecchiature possono beneficiare di tempi di funzionamento tra cariche successive e cicli di vita più lunghi e sfruttare nel contempo tutti i vantaggi legati alla produzione completamente automatizzata delle celle.

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