• modalita` d'uso (a resistenza costante, o a corrente costante, o a potenza costante),
• stato di carica (effetto memoria, autoscarica),
• intensita` di corrente erogata,
• temperatura.

La capacita` varia a seconda del modo di impiego: a resistenza costante (illuminazione elettrica), a corrente costante (trapano ???) oppure a potenza costante. Solitamente la capacita` nominale C si riferisce ad un impiego a corrente costante a temperatura ambiente che scarica la batteria in 5 ore (percio` una corrente 0.2 C).

Indicativamente, per batterie a stilo tipo A-A, le Ni-Cd hanno una capacita` nominale di 0.5 Ah, le Zn-C di circa 0.4 - 0.6 Ah, e le batterie alcaline di 1.8 Ah. La capacita` dipende molto dalla temperatura, e decresce con essa (a temperature sotto i 20^oC), figura a destra.

Si trovano in commercio anche batterie ricaricabili alcaline. Hanno una tensione di 1.5 V (per cui ne bastano tre di tipo "stilo") a una capacita` di 1.5 Ah. Sono ricaricabili fino a 600 volte, non hanno effetto memoria. Ricaricate a tensione costante di 1.65 V (molto stabile: +/- 50 mV) non ci sono pericoli di sovraccarica. Hanno una autoscarica bassissima: dopo 5 anni mantengono circa 80 % della carica. Non contengono mercurio, cadmio [FIXME e nichel ???]; percio` sono meno inquinanti delle batterie normali.

Le batterie sono inquinanti, per i metalli pesanti che contengono (mercurio, cadmio, piombo) e per i componenti della soluzione elettrolitica. Vanno riportate fuori di grotta e depositate negli appositi raccoglitori per batterie esauste.

Le batterie si scaricano anche da sole ( autoscarica, figura a sinistra) piu` per perdite interne che per l'umidita` dell'aria. L'autoscarica diminuisce al decrescere della temperatura, per cui e` meglio tenere le batterie immagazzinate a basse temperature (in frigo) ma non troppo basse: se l'elettrolita congela non sono piu` utilizzabili. A temperatura ambiente una batteria normale mantiene la carica per circa un anno. A 5 ^oC anche per due o tre anni. L'autoscarica e` piu` lenta per le batteria alcaline, e ancora minore in quelle al litio. E` invece molto elevata nelle batterie Ni-Cd. Per legge le batterie dovrebbero riportare la data di scadenza (sulla batteria o sulla confezione).

La conservazione a basse tempertaure (-20^oC) non danneggia le batterie, ma occorre lasciarle tornare a tempertaura ambiente prima di usarle. Anche la conservazione a 5-10^oC e` accettabile. Tenerle invece a temperatura superiore ai 21<sup>o</sup>C riduce la capacita` efficace.

Le batterie hanno una resistenza interna che ne riduce la tensione ai capi quando e` in uso. Una batteria e` rappresentata dal circuito equivalente di Thevenin (v. figura). Appena connessa la batteria presenta una resistenza interna instantanea, che cresce con lo stabilizzarsi delle condizioni d'esercizio fino al valore effettivo, R_I = R_II + R_ID. L'effetto transitorio e` irrilevante ai fini dell'uso per illuninazione in grotta. La resistenza interna viene misurata col metodo della caduta di tensione (ANSI, C18.2). Per le batterie con C<5 Ah si scarica la batteria completamente carica con una corrente 10C (cioe` una corrente che la scaricherebbe in 1/10 d'ora) per due minuti, poi si passa ad una corrente 1C. Si misura la tensione prima e dopo tale passaggio; la resistenza interna e`

La resistenza interna varia con l'uso crescendo leggermente. Verso la fine la crescita e` piu` rapida.

Denotando R la resistenza esterna su cui sono attaccati i capi della batteria, Q_o la carica iniziale sul capacitore, e ponendo,

l'equazione del circuito diventa

Queste equazioni si integrano facilmente e danno

La corrente sul ramo del capacitore decresce esponenzialmente, e la carica passa da Q_o al valore E_o / (b r). In questa condizione la corrente e` I = E<sub>o</sub> / r quindi la tensione ai capi della batteria e` V = (R/r) E_o. La tensione ai morsetti dipende quindi dal rapporto R/(R_II + R_ID + R) che e` tanto minore quanto piu` R e` piccolo. Percio` si ha prima una curva in cui la tensione decresce fino a stabilizzarsi al valore V₁ e poi una crescita fino al valore V₂.

1.C.2 Batterie Zinco Carbonio

Hanno l'anodo di zinco e il catodo di biossido di manganese con polvere di carbonio per migliorarne la conducibilita`. Nelle LeClanche l'elettrolita contiene cloruro di ammonio e di zinco. Nelle ZnCl contiene cloruro di zinco.

Sono basate sulle reazioni

Gli ampere-ora delle batterie ZnCl variano molto con le condizioni di impiego: con la corrente, la temperatura (decrescono a basse temperature), e con le condizioni di immagazzinamento (decrescono al 90% dopo un anno a 21^oC).

Le tensioni a circuito aperto sono 1.55 V (LeClanche) e 1.60 V (ZnCl). L'efficienza aumenta al diminuire della corrente d'uso. L'efficienza dei tre tipi di batterie e` approssimativamente in rapporto 2:3:5 (rispettivamente per LeClanche, ZnCl, alcaline). La capacita` effettiva decresce con la temperatura (v. figura).

1.C.3 Batterie alcaline

Le batterie alcaline hanno l'anodo di zinco e il catodo di biossido di manganese con matrice di carbone. L'elettrolita e` una soluzione di idrossido di potassio. A circuito aperto la tensione e` di 1.58 V.

La capacita` effettiva e` meno sensibile a variazioni della corrente di scarica che nelle batterie ZnCl o LeClanche. Risultano anche meno sensibili alla temperatura. La capacita` e` ridotta a 88% in tre anni per autoscarica, se conservate a 20^oC. Tenute a temperature fra 0 e 40 ^oC la capacita` si riduce al 90% nel tempo t(mesi) = 10<sup>2 - T/40</sup>. Tenerle a temperature superiori aumenta notevolmente l'autoscarica, cioe` il tempo di autoscarica al 90% risulta inferiore.

Per verficare se la batteria e` ancora carica bisogna misurare la tensione sotto carico (8 ohm per una batteria da 1.5 V) per un paio di secondi. Se la tensione resta sopra 1.1 V la batteria ha ancora il 20% della carica. Una tensione a circuito aperto di 1.5 V indica che c'e` almeno il 90% della carica.

1.C.4 Batterie al litio

Le batterie al litio hanno una tensione nominale di 1.8 V, leggermente superiore alle altre batterie. Sono piu` leggere; pesano circa 1/3 in meno di quelle alcaline, ad hanno una maggiore capacita` (per correnti moderate-alte). Hanno una miglior resa a basse temperature, seppure la capacita` effettiva (che e` essenzialmente costante a temperature superiori a 20^oC) decresce leggermente con le basse temperature.

Hanno una curva di scarica molto piatta con una brusca caduta verso la fine della carica. Questo e` un vantaggio ed uno svantaggio al contempo: una curva piatta garantisce una illuminazione uniforme durante tutto l'utilizzo della batteria. La brusca caduta alla fine rende difficile stabilire la carica residua di una batteria parzialmente utilizzata. Hanno una corrente massima di scarica (1.4 A per le A-A), dopodiche` interviene un meccanismo (basato sull'aumento di temperatura interna) che aumenta la resistenza interna ed evita che la batteria si danneggi.

L'autoscarica e` circa la meta` di quelle alcaline. Non contengono mercurio, cadmio e piombo. Una batteria A-A contiene circa un grammo di litio.

1.C.5 Batterie ricaricabili NiCd e NiMH

Sono disponibili in molti modelli, da piccoli (batterie a bottone) da pochi mAh, a grossi (ad elettrolita liquido) da 45 Ah. Il modello "stilo" va da 0.5-0.7 Ah, mentre il modello "torcia" va da 1.2 a 4.0 Ah. Quelle con cui si compongono le batterie da grotta sono i modelli "torcia" da 2.4 o 4.0 Ah. Sopportano poco le scariche rapidissime poiche` hanno una resistenza interna piccolissima. Sono pericolosi in caso di cortocircuito: possono anche esplodere, e restano comunque danneggiati irreparabilmente.

Un pacco da 20 batterie NiCd da 4.0 Ah pesa circa 3 Kg e fornisce 3.2 Ah con una corrente di 10 A.

Le batterie sono dotate di una valvola autosigillante per permettere la fuoriuscita di gas ad evitare che esploda.

La figura a lato riporta la capacita` reale (come percentuale della capacita` nominale) in funzione della corrente erogata e della temperatura. Il comportamento e` simile nei due tipi di batterie.

L'elettrodo positivo al nichel e` dimensionato con una capacita` maggiore di quello negativo al cadmio in modo da sopportare una certa sovraccarica. Durante l'ultima parte del ciclo di carica (sovraccarica) le batterie NiCd generano gas, ossigeno all'elettrodo negativo, idrogeno a quello positivo. Dato che l'elettrodo positivo e` sovraddimensionato rispetto a quello negativo si genera inizialmente solo ossigeno che reagisce colla superficie di cadmio metallico dell'elettrodo negativo. Se pero` la sovraccarica e` prolungata si sviluppa anche idrogeno all'elettrodo positivo, si accumula gas in eccesso ed aumenta la pressione all'interno della batteria fino al punto da innescare la autoventilazione della batteria, cioe` l'espulsione di gas. Una carica Q di 1 Ah idrolizza 0.366 cm³ di acqua, che corrispondono a 0.45 litri di gas idrogeno e 0.23 di ossigeno. Il volume di gas prodotto e` quindi 0.68 N Q [litri], dove N e` il numero di celle componenti la batteria. In genere una sovraccarica (prolungata) con una corrente 0.1C danneggia le batterie; tuttavia certi modelli possono sopportare anche sovraccariche di 0.3C (per brevi periodi) in modo da rendere meno critica l'interruzione della ricarica.

Nella ricarica le batterie NiCd sono endotermiche, quelle NiMH sono esotermiche. La temperatura di ricarica ha un leggero effetto sulla capacita` effettiva. A circa 0<sup>o</sup>C si ottiene circa il 98% della capacita` nominale (definita a 20^oC). Anche a temperature molto alte (sopra 30^oC) si ha un calo di capacita`.

L'efficienza della ricarica aumenta con correnti elevate. Una corrente 0.2C e` abbastanza alta da essere vicina al caso ideale. Correnti di carica elevate accentuano anche l'improvviso innalzarsi della temperatura interna in prossimita` della sovraccarica, e ne facilitano la detezione basata sulla temperatura. Tuttavia necessitano una precisa interruzione della ricarica. Quindi correnti di ricarica dell'ordine di 1C sono possibili solo con adeguata strumentazione. Se la stima della carica e` basata su una misurazione del tempo di ricarica e` meglio usare correnti 0.1C (cioe` dieci ore di ricarica).

Dunque il ciclo di carica consigliabile e` di 10 ore a 0.1C a temperatura ambiente. Ricariche veloci possono essere fatte solo con apparecchiature specializzate che monitorano la terminazione. Anche cariche piu` lunghe (corrente piu` deboli) o a temperature elevate risultano difficili da controllare e richiedono apparecchi speciali.

Le batterie Ni-Cd possono essere ricaricati 500-1000 volte, ed hanno una vita media di cinque anni. Prima di ricaricarle bisogna scaricarle per evitare l'effetto memoria. Si collegano due lampadine da 12 V (tipo fari auto) in serie alla batteria e si aspetta finche` la luce non diminuisce. A questo punto si aspetta ancora un poco e poi si staccano. In tutto ci vuole una decina di muniti al piu`. Prima di iniziare la ricarica si lascia raffredare e riposare la batteria.

Durante la ricarica degli accomulatori Ni-Cd, la batteria non deve scaldarsi sopra i 60 ^oC, la sovraccarica deve essere del 40% per compensare le perdite (ulteriore sovraccarica rischia di danneggiare le batterie). I caricabatterie buoni forniscono una corrente di 1/10 di quella nominale per circa 14 ore. Non usare normali alimentatori per effettuare la ricarica: le batterie possono anche scoppiare. Certi caricabatteria sono predisposti per effettuare la scarica prima della ricarica. Possono fare anche la ricarica veloce (in mezz'ora); durante questo processo devono pero` tenere sotto controllo la temperatura della batteria, e il tempo di ricarica deve essere preciso al minuto.

Correnti di mantenimento di 0.025C servono per controbilanciare l'autoscarica.

La curva di scarica e` molto piatta, e presenta una caduta verso la fine quando l'elettrodo positivo risulta completamente scarico. La curva di scarica dipende da

• temperatura (si abbassa per basse temperature)
• corrente di scarica (e` piu` bassa per elevate correnti di scarica)
• effetto memoria (abbassamento di circa 150 mV, nelle NiCd)
• mantenimento in carica molto prolungato (solo per la prima scarica, circa 30% in meno)

Continuando ad utilizzare la batteria (e questo puo` succedere se la batteria fa parte di un pacco in cui le batteria non sono state caricare in egual misura) vi ha inversione di polarita` sull'elettrodo negativo. Continuando ulteriormente a scaricare la batteria si arriva ad avere inversione anche sull'altro elettrodo. Certe batterie sono (parzialmente) protette contro questo effetto con l'aggiunta di materiali riducibili all'elettrodo negativo.

Le batterie NiCd presentano l'effetto memoria. Se vengono immagazzinate per lungo tempo, mantenute costantemente in carica, o con solo scariche parziali, rispondono limitatamente a tentativi di scarica completa e il profilo di scarica risulta piu` basso di circa 150 mV. La memoria viene cancellata con alcuni cicli di carica/scarica. Anche se non ben compreso, l'origine di questo fenomeno e` nella struttura dell'elettrodo al cadmio. L'effetto memoria e` molto ridotto nelle batterie NiMH.

Nell'uso normale delle batterie NiCd e NiMH si consiglia di interrompere la scarica quando la tensione vale 0.8 - 1 V (per elemento). Scaricandole troppo si danneggiano perche` si ha inversione di polarita` e sviluppo di gas idrogeno all'interno che viene in parte assorbito dall'elettrodo negativo e in parte liberato dalla valvola di sfogo all'esterno. (Scaricandoli poco invece hanno l'effetto memoria!) Questo problema e` critico quando si usano piu` accumulatori in serie o in parallelo perche` se non sono caricati allo stesso grado, uno puo` arrivare alla sovrascarica forzato dagli altri. La tensione di interruzione par N accumulatori e`

dove V_m e` la tensione a mezza scarica per la singola batteria. Per una sola batteria la tensione di terminazione e` 0.9 V = 0.75 V_m

Hanno tempi di dimezzamento della carica (autoscarica al 50%) di circa sei mesi a temperatura ambiente. L'autoscarica delle batterie Ni-Cd dipende dalla temperatura, ed e` abbastanza veloce: la seguente tabella mostra alcuni valori della carica (come percentuale della capacita` nominale) a varie temperature. Percio` non e` bene lasciare il pacco batterie nel baule dell'auto sotto il sole d'estate.

Il punto finale del ciclo di vita di una batteria ricaricabile e` quando non fornisce piu` l'80% della capacita` dichiarata. Fattori che influenzano la durata di una batteria NiCd sono:

• le sovraccariche (e` bene evitarle)
• la temperatura di carica e di sovraccarica (temperature troppo basse o troppo alte sono sconsigliabili)
• scariche troppo veloci
• ogni situazione che porta alla necessita` di espeller ei gas prodotti all'interno della batteria la danneggia

1.C.6 Batterie NiMH

Le batterie NiMH hanno fino al 40% di carica in piu` delle NiCd.

Utilizzano leghe di terre rare (tipicamente lantanio, batterie di classe AB5) oppure leghe con titanioo zirconio (batterie di classe AB2). L'idrogeno viene adsorbito sul reticolo di tali leghe (che ha struttura prisma a base esagonale).

Sovraccariche moderate sono compensate con il ciclo dell'ossigeno: O₂ generato all'elettrodo positivo migra all'interno della batteria verso l'elettrodo negativo dove viene ricombinato.

1.C.7 Accumulatori al piombo

Oltre che con la corrente, la capacita` decresce anche con l'abbassarsi della temperatura, con una relazione approssimativamente lineare (almeno nell'arco delle temperature di interesse, da -20 a +30 ^oC).

Durante la scarica la tensione decresce, ma non deve mai farsi scendere sotto 1.8 V per elemento per non danneggiare l'accumulatore; infatti il sale PbSO₄ che si forma durante la scarica sulle pistre e` poco solubile e resta aderente alle piastre. Se si formano dei grossi granuli, questi non reagiscono piu` nel prossimo processo di carica e ne segue una ridotta capacita` dell'accomulatore (solfatazione).

Durante la carica è necessario non superare la tensione di 2.2 V per elemento altrimenti si ha elettrolisi dell'acqua con formazione di bolle di idrogeno ed ossigeno che tendono a staccare granuli di materiale attivo (Pb e PbO₂) dalle placche. La carica deve essere effettuata con un alimentatore stabilizzato in corrente (indicativamente a 1/10 Cn), ad una tensione di 14.7-15 V. Bisogna evitare la sovraccarica (massimo 20 h di ricarica). La tensione di mantenimento della carica e` 13.8 V, con una temperatura fra 5<sup>o</sup>C e 35<sup>o</sup>C. Se gli accumulatori sono chiusi in un contenitore stagno e` necessario che questo venga aperto durante la carica: infatti possono formarsi gas idrogeno ed ossigeno che se chiusi nel contenitore possono esplodere.

1.C.8 Il pacco batterie

In genere il pacco batterie e` autocostruito.

Criteri di costruzione:

• deve essere a tenuta stagna
• deve essere facilmente ispezionabile
• deve essere apribile durante la ricarica
• deve essere smontabile
• deve proteggere le batterie con uno strato protettivo per i colpi
• le batterie non devono "ballare" all'interno.

Un fix da 10 mm (profondo 80 mm) richiede 8640 J, cioe` 1080 J/cm.
Un fix da 8 mm (foro profondo 80 mm) richiede 5600 J, cioe` 700 J/cm.
Un fix da 6 mm ne richiede la meta`: 350 J/cm.
2.6 Ah della batteria Pb 6.5Ah a I=10A, fanno 152640 J, cioe` 436 cm di fix da 6 mm, che sono circa 54 fix. Se usiano fix da 8 mm, sono circa la meta`, 26 fix. Con fix da 10, sono un terzo: 18 fix.

1. La Ditta "ELCART" di Milano (02/7491334-70107097), tra un'infinita' di componenti, distribuisce una batteria NiCd ricaricabile tipo D-UM1 (praticamente il classico torcione) da 1.2 V e 4000 mAh e un'altra al NiMh ricaricabile tipo 4/3 A da 1.2 V e 2.300 mAh (ovviamente questa non ha piu` o meno l'effetto memoria della NiCd). Non conosco i prezzi, comunque i prodotti Elcart sono abbastanza diffusi tra i negozi di componentistica elettronica.

2. La Ditta "RS Components" (centralino 02/274251, serv. clienti 02/27425425) ha in catalogo una batteria ricaricabile al NiCd 1.2 V da 7.000 mAh tipo F (sez 34mm, h 90mm, £.30.000 cad.) ed una, della stessa linea, da 10.000 mAh (diconsi 10 A !) tipo "super F" (sez. 42mm, h 90mm, £.60.000 cad.). Prezzi Gennaio '98. Tipo F: cod. 229-122 Tipo super F: cod. 229-138

1.C.9 Collegamento al trapano

Per utilizzare le batterie esterne e` necessario predisporre il collegamento col trapano, solitamente non previsto dai costruttori. Le due possibili soluzioni sono

• collegamento mediante apposita slitta usando i contatti originali per la batteria
• applicazione di uno spinotto sul manico del trapano
• spinotto attaccato ad un corto cavo uscente dal manico del trapano
• cavo elettrico di lunghezza adeguata, uscente dal trapano.

Se si esce con un cavo, questo deve essere bloccato internamente (con una fascetta stringitubo) per evitare che tirando strappi i contatti.

Tutti i collegamenti devo essere revisionati periodicamente.

1.C.10 Il trapano

Il trapano e` un perforatore dotato di meccanismo di percussione mediante il quale mentre gira si comporta come un martello. Il perforatore a percussione fu originariamente sviluppato da Hilti e funzionava a corrente alternata. Quando il brevetto Hilti decadde, Bosch costrui` il modello portatile a corrente continua con accumulatori. In questa versione fu presto seguita da parecchi altri produttori (fra cui Hilti stessa).

Le caratteristiche dei trapani ad accumulatori sono:

• velocita` di rotazione, 600-700 giri/min;
• frequenza di percussione, circa 4000 al minuto;
• reversibilita` del verso di rotazione;
• controllo elettronico della velocita`;
• tensione di alimentazione, 12, 24 o 36 V;
• punta ad innesto (invece che meandrino portapunta) di tipo SDS-plus;
• peso, 2000-2500 gr.

La resa dipende oltre che dalla potenza assorbita, da dispersioni (stato e tipo di punta, condizioni di lavoro), dalla forza di battuta, dal tipo di roccia. A titolo indicativo con il trapano Bosch (con accumulatore di serie) si arriva a mettere 10-12 fix da 8 mm durante una risalita.

Gli accumulatori di serie hanno un peso variabile fra 1300 e 2000 gr., sono (quasi tutti) al NiCd (quindi presentano l'effetto memoria), ed hanno una vita media di circa 300 cicli di ricarica. Ricordiamo che gli accumulatori sono sensibili a urti, freddo, e umidita`.

La seguente tabella riassume i dati dei principali trapani reperibili in commercio. (Da notare che il trapano SPIT 324 VE e` uguale al Bosch a parte il fatto che usa punte speciali SPIT SDS, che si possono montare anche sugli altri trapani, mentre le normali SDS-plus non si montano sullo SPIT).