Sommario
Quando si parla di prestazioni della batteria, spesso al centro ci sono capacità, tensione o durata in cicli – un indicatore altrettanto centrale è facilmente trascurato: la resistenza interna (Internal Resistance). In effetti essa determina in modo decisivo la performance dinamica, l'efficienza e l'affidabilità a lungo termine. Questo articolo spiega la natura fisica della resistenza interna, il suo ruolo cruciale per potenza e durata e i fattori principali della sua variazione – per una comprensione completa di questo parametro determinante per la qualità.
1. Che cos'è la resistenza interna della batteria?
La resistenza interna descrive la resistenza che la batteria oppone al flusso di corrente durante il funzionamento. Quando durante la scarica la corrente attraversa gli elettrodi, l'elettrolita e i conduttori, si generano varie resistenze – con conseguente caduta di tensione, perdite di energia e produzione di calore.
Resistenza ohmica interna: Deriva dalla conduttività dei conduttori, degli elettrodi, dei collettori (tab), dell'elettrolita e del separatore – dominata dalle proprietà dei materiali.
Resistenza di polarizzazione elettrochimica: Proviene dalle velocità di reazione finite all'interfaccia elettrodo–elettrolita; i potenziali degli elettrodi si discostano dall'equilibrio sotto carico (guidato dalla cinetica).
Resistenza da polarizzazione di concentrazione: Nasce da gradienti di concentrazione tra la superficie degli elettrodi e il volume dell'elettrolita; a correnti elevate la diffusione degli ioni diventa limitante.
In pratica si determina spesso un valore equivalente tramite metodo in corrente alternata (AC-Innenwiderstand), che riunisce tutte le sotto-resistenze. In linea di principio vale: ULoad = UOCV − I × Rin. Più alta è la resistenza interna, maggiore è la caduta di tensione e minore la potenza erogabile.
2. Come si genera la resistenza interna?
Le cause sono molteplici – influenzate dalle proprietà dei materiali, dai processi produttivi e dai meccanismi di invecchiamento:
Conduttività dei materiali attivi: Una bassa conduttività elettronica aumenta il percorso resistivo.
Contatto tra collettori ed elettrodi: Un cattivo contatto aumenta la resistenza di contatto.
Concentrazione e conduttività dell'elettrolita: Una concentrazione troppo bassa o un elettrolita invecchiato rallentano il trasporto ionico.
Impedenza del separatore: Bassa porosità o contaminazioni ostacolano il flusso ionico.
Qualità delle saldature e delle connessioni: Saldature scadenti, viti allentate, ossidazione causano resistenze locali elevate.
Con l'uso aumentano la resistenza interna e la degradazione per invecchiamento dei materiali, distacco del materiale attivo e crescita di spessore dello strato SEI. L'incremento della resistenza interna è uno dei principali fattori della perdita di prestazioni.
3. Influsso su potenza & efficienza
La resistenza interna determina direttamente le prestazioni sotto forte carico:
Caduta di tensione: Sotto carico la tensione ai terminali è inferiore al valore nominale; più alta è la corrente, maggiore è la caduta.
Potenza erogabile ridotta: P = U × I; se U diminuisce a causa di Rin, la potenza disponibile si riduce.
Rendimento energetico inferiore: Una parte dell'energia viene trasformata in calore invece che erogata come potenza utile.
Aumento della temperatura: Perdite I2R riscaldano le celle; un raffreddamento insufficiente accelera l'invecchiamento fino a comportare rischi per la sicurezza.
Esempio pratico: due batterie con la stessa capacità – quella con resistenza interna minore mantiene meglio la tensione all'avvio del motore o dell'inverter, fornisce più potenza e si riscalda meno.
4. Resistenza interna & durata
La resistenza interna è una misura chiave dell'invecchiamento. Con il numero di cicli aumenta per vari motivi:
Evoluzione dello strato SEI: Nelle batterie agli ioni di litio lo SEI sull'anodo cresce, aumentando la resistenza al trasferimento degli ioni Li – principale causa dell'aumento di Rin.
Decomposizione e perdita dell'elettrolita: Reazioni secondarie consumano litio attivo e modificano composizione e conduttività.
Degrado strutturale degli elettrodi: Distacco, trasformazioni di fase, dissoluzione e corrosione dei collettori allungano i percorsi elettronici/ionici.
Resistenza di contatto alle interfacce: Tensioni meccaniche/variazioni di volume aumentano la resistenza di contatto tra elettrodo e collettore.
Con l'aumento di Rin la potenza utilizzabile diminuisce già prima di una perdita di capacità evidente – la capacità «praticamente utilizzabile» si riduce a causa di cadute di tensione più accentuate. A lungo termine un Rin elevato provoca hot-spot, fatica termica o deformazioni dell'involucro.
Definizione della fine vita utile: Gli standard industriali spesso fissano la fine vita a 1,5–2,0 volte la Rin iniziale. L'aumento di Rin precede spesso la degradazione della capacità e limita l'erogazione di potenza. Una cella con il 80% di capacità residua può in un dispositivo guastarsi sotto carico se Rin è raddoppiata.
Conclusione: una bassa resistenza interna non significa solo alte prestazioni, ma anche maggiore durata in cicli.
5. Fattori chiave della resistenza interna
Rin è dinamica e varia con ambiente e utilizzo:
Temperatura: Al freddo aumenta la viscosità dell'elettrolita, diminuisce la mobilità ionica – Rin cresce fortemente. Alte temperature accelerano le reazioni secondarie e aumentano permanentemente Rin.
Stato di carica (SOC): A SOC basso Rin è significativamente più elevata.
Corrente di scarica & numero di cicli: Alte C-rate accentuano tensioni meccaniche e reazioni secondarie, Rin cresce più rapidamente; con i cicli Rin aumenta in modo monotono.
Tempo di stoccaggio: Anche a riposo avvengono reazioni secondarie; lunghi periodi di stoccaggio aumentano lo spessore dello SEI e alterano l'elettrolita, Rin sale.
Lithink LiFePO₄ utilizza sensori di temperatura multipunto e bilanciamento attivo per monitorare queste variabili e mantenere Rin stabile in ambienti diversi.
6. Come si misura la resistenza interna?
Una misurazione precisa è fondamentale per valutare le prestazioni, monitorare lo SOH e per il matching dei pack. Metodi comuni:
Carico impulsivo in corrente continua (DCIR): Breve impulso ad alta corrente, misurare la caduta di tensione e calcolare Rin; semplice ma fortemente dipendente da temperatura/SOC.
Resistenza interna in corrente alternata (ACIR): Misura in milliohm con segnale AC; più accurata, richiede strumentazione.
Spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS): Separa i contributi ohmici, di trasferimento di carica e di diffusione – standard in laboratorio/sviluppo.
Per la pratica si consiglia la misura a temperatura ambiente e 50–70% SOC per ottenere valori di riferimento riproducibili.
7. Lithink: filosofia progettuale Low-IR
Lithink considera la «bassa resistenza interna» un obiettivo centrale della progettazione delle prestazioni. Le nostre soluzioni:
Celle A+ Automotive: Rin della cella ≤ 1 mΩ, eccellente coerenza nei cicli.
Struttura a doppio collettore di corrente: Busbar in leghe di rame minimizzano le impedenze dei percorsi.
Monitoraggio della temperatura multipunto: Tre sensori rilevano l'aumento di calore; il BMS limita dinamicamente la corrente.
BMS intelligente: Bilanciamento automatico, protezione da cortocircuito/sovracorrente e controllo riscaldamento a bassa temperatura assicurano stabilità a lungo termine.
Struttura totalmente incapsulata e antivibrazione: Isolamento epossidico su 6 lati + telaio in lega prevengono aumenti di Rin dovuti a vibrazioni.
Così le batterie Lithink mantengono la tensione stabile anche con carichi elevati – ad es. climatizzatore di camper, avvio inverter, motore da traina – sviluppano poco calore e combinano alta erogazione di potenza con lunga durata.
Conclusione
La resistenza interna accompagna l'intero ciclo di vita dalla ricerca, produzione all'applicazione. Determina la potenza istantanea e il rendimento energetico – e riflette lo stato chimico e strutturale di salute di una batteria. Chi comprende e controlla la resistenza interna ottiene più potenza, maggiore durata e maggiore sicurezza.
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