Celle sinterizzate per il modellismo

Si tratta di un’evoluzione della cella al nichel-cadmio a tenuta di gas RS 1,2, con la nuova denominazione RSH 1,2. Di seguito vengono descritti la struttura degli accumulatori cilindrici al nichel-cadmio, le diverse caratteristiche elettriche dei due tipi di celle e, per completezza, le modalità di ricarica.

VARTA produce accumulatori al nichel-cadmio a tenuta stagna di forma cilindrica con elettrodi sinterizzati, con capacità comprese tra 100 mAh e 7 Ah. Con circa 78 Wh/l e circa 27 Wh/g, presentano il rapporto potenza/volume e il rapporto potenza/peso più vantaggiosi tra tutte le serie di modelli.

Per sfruttare al meglio il volume delle celle, gli elettrodi, realizzati sotto forma di avvolgimento in nastro sinterizzato altamente poroso, sono alloggiati in un contenitore in acciaio trafilato e nichelato. In questa struttura sinterizzata altamente porosa viene impregnata la massa attiva: idrossido di nichel come elettrodo positivo e idrossido di cadmio come elettrodo negativo. L’isolamento reciproco degli elettrodi è garantito da separatori in tessuto non tessuto di plastica. La messa a terra dell’elettrodo negativo avviene tramite il contenitore in acciaio nichelato, mentre l’elettrodo positivo è collegato al coperchio della cella, anch’esso realizzato in lamiera d’acciaio. L’isolamento tra il contenitore della cella e il coperchio della cella è garantito da un anello in plastica, che funge anche da guarnizione di tenuta della cella. Come elettrolita, ovvero come conduttore di corrente tra gli elettrodi, viene utilizzata la potassa caustica, fissata negli elettrodi e nel separatore.

Per il volo elettrico si utilizzano preferibilmente celle del tipo RS 1,2; in un pacco batteria a 7 celle, oppure come batterie a 8 celle suddivise in 2 unità da 4 celle ciascuna. Le celle, isolate con guaina termorestringente, vengono allineate una accanto all’altra e collegate tramite robusti connettori a striscia, saldati a punti.

Il pacco batterie così realizzato viene dotato di semigusci in plastica, che vengono incollati per il fissaggio o avvolti con bendaggi. La derivazione della corrente avviene tramite cavi flessibili.

Le celle sinterizzate cilindriche sono state originariamente progettate per un carico continuo pari a $20 \times I_{10}$ (2 CA), pur consentendo un carico doppio per brevi periodi e picchi di corrente più elevati solo nell'ordine dei secondi. Ne derivano quindi le seguenti specifiche per la cella RS 1,2:

Va tenuto presente che, all’aumentare della corrente di scarica, la capacità erogabile diminuisce; ad esempio, con un carico pari a $20 \times I_{10}$, la diminuzione è di circa il 20%.

Tuttavia, durante il volo elettrico la batteria è soggetta a carichi di corrente compresi tra 8 A e 12 A, ovvero carichi compresi tra $60 \times I_{10}$ (6 CA) e $100 \times I_{10}$ (10 CA), quando si utilizza il tipo di cella RS 1,2 si registra inevitabilmente un livello di tensione molto basso. Inoltre, la capacità erogabile diminuisce in modo significativo.

Per le celle in grado di sopportare correnti elevate, è quindi necessario migliorare queste due caratteristiche, e VARTA ci è riuscita in misura sorprendente grazie alla progettazione del tipo di cella RSH 1,2.

Questo tipo di cella, che presenta le stesse dimensioni e quasi lo stesso peso della cella RS 1,2, è in grado di sopportare un carico continuo di $100 \times I_{10}$ (10 CA) senza alcuna limitazione. La cella RSH 1,2 presenta inoltre, anche a questo carico massimo, una tensione media di scarica di circa 1,15 V e una capacità estraibile pari, in media, al 90%.

Il diverso comportamento dei due tipi di celle emerge in modo molto evidente dalle curve riportate nelle Fig. 4 e Fig. 5. Si osserva che il nuovo tipo di cella, in presenza di carichi ad alta corrente, presenta una tensione media di scarica migliore di circa 0,2 V e una capacità estraibile mediamente superiore di circa il 60%.

Anche l’aumento della temperatura della cella durante la scarica e la carica è notevolmente inferiore, come si evince dalla Fig. 6.

Le batterie al nichel-cadmio a tenuta ermetica hanno un fattore di carica pari a 1,4, ovvero occorre caricare una quantità pari a 1,4 volte quella prelevata dalla batteria. In linea di principio, la ricarica deve avvenire a corrente costante. Se si utilizza una curva caratteristica leggermente discendente, è necessario mantenere la corrente costante prescritta come valore medio. Si applicano i seguenti metodi di ricarica:

In questo caso, la ricarica può essere interrotta manualmente o tramite un timer. Le celle sinterizzate cilindriche possono essere ricaricate da qualsiasi stato di carica con una corrente massima di $3 \times I_{10}$ (0,3 CA), poiché con questa corrente è ancora consentita la sovricarica.

Inoltre, è possibile applicare 2 diversi metodi di ricarica rapida: in funzione della tensione o a tempo limitato dopo una pre-scarica.

Nella ricarica rapida in funzione della tensione, la ricarica avviene con una corrente di $10 \times I_{10}$ (1 CA) fino a 1,52 V/cella, a una temperatura di 20 °C. La tensione di spegnimento deve essere adattata a temperature più elevate con un coefficiente di temperatura di $-4 \text{ mV}/^\circ\text{C}$, in modo che, ad esempio, a 30 °C il caricabatterie si disattivi già a 1,48 V/cella. In questo caso si raggiunge un grado di carica compreso tra l’80 e il 90% della capacità nominale.

Più semplice da eseguire e quindi particolarmente apprezzata dai modellisti è la ricarica rapida a tempo limitato. Prima di iniziare la ricarica, la batteria viene scaricata fino a 1,0 V/cella per evitare un sovraccarico significativo. Successivamente è possibile effettuare la ricarica con una corrente di $10 \times I_{10}$ (1 CA) per un totale di 60 minuti, oppure con una corrente di $20 \times I_{10}$ (2 CA) per un massimo di 30 minuti. Le batterie con non più di 7 celle possono essere ricaricate secondo questo metodo anche utilizzando una batteria per auto da 12 V. In questo modo è possibile raggiungere un grado di carica compreso tra il 90 e il 95%. Come misura di sicurezza aggiuntiva, per tutti i metodi di ricarica, ma preferibilmente per quelli rapidi, è possibile applicare un termostato all’involucro di una cella, che interrompe la ricarica al raggiungimento dei 50 °C.

Le batterie nuove devono essere caricate accuratamente prima della messa in funzione: 14 ore con $I_{10}$ o 7 ore con $2 \times I_{10}$.

Le batterie che sono rimaste in deposito per più di 6 mesi devono essere caricate per 24 ore con $I_{10}$ o per 12 ore con $2 \times I_{10}$. Dopo una scarica profonda, ovvero quando la tensione scende notevolmente al di sotto della tensione finale di scarica consentita, anche la ricarica successiva dovrebbe essere prolungata di alcune ore, ad esempio per 18 ore con $I_{10}$.

Le batterie al nichel-cadmio a tenuta stagna possono essere conservate per diversi anni indipendentemente dallo stato di carica. La ricarica deve essere effettuata come per la messa in funzione di batterie nuove. La batteria raggiunge nuovamente la piena capacità dopo 2-3 cicli di carica/scarica.

• Funzionamento da $-40^\circ\text{C}$ a $+50^\circ\text{C}$ per
  max. 24 ore fino a $+60^\circ\text{C}$
• Carica da $0^\circ\text{C}$ a $+45^\circ\text{C}$;
  consigliata da $+10^\circ\text{C}$ a $+35^\circ\text{C}$
• Conservazione da $-40^\circ\text{C}$ a $+50^\circ\text{C}$
  max. 24 ore fino a $+60^\circ\text{C}$
  consigliato da $0^\circ\text{C}$ a $+45^\circ\text{C}$

Nel capitolo dedicato al tipo di cella RS 1,2 vengono descritti la struttura, i dati elettrici, il comportamento e la carica delle celle sinterizzate cilindriche. Parallelmente, viene messo a confronto il nuovo modello RSH 1,2, particolarmente adatto alle sollecitazioni ad alta corrente.

È interessante notare, in questo contesto, che VARTA lancerà ulteriori nuovi sviluppi; il prossimo sarà presumibilmente il tipo di cella da 750 mAh (750 RS) con la nuova denominazione 750 RSH. Alla fine della trattazione sono riportate le istruzioni d’uso più importanti per l’utente.