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Energia d’emergenza: le miracolose batterie 18650 e i loro utilizzi

Le batterie 18650, una volta sconosciute ai più e riservate agli addetti ai lavori, hanno acquisito maggiore popolarità negli ultimi anni con la diffusione delle sigarette elettroniche.
In questo articolo analizzeremo le loro caratteristiche tecniche, i loro pregi, i loro difetti e soprattutto i numerosi e importanti utilizzi che si possono fare con esse in caso di emergenza, con poche e rudimentali basi di elettronica.

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Le (noiose ma necessarie) basi

Una premessa: da adesso in poi parleremo della 18650 singola col termine improprio di “cella” (da cell in inglese), e useremo il termine “batteria” esclusivamente per indicare più celle collegate tra di loro in serie o in parallelo, ossia costituendo un pacco batteria.

Se conosci già le basi, puoi saltare al paragrafo successivo.

Tensione, corrente e potenza

Utilizzeremo i termini tensione e di Volt (V) indistintamente, così come sarà indistinto l’utilizzo di corrente e Ampere (indicati in A, o mA per i milliampere, ossia i millesimi di ampere).
Giusto per puntualizzare: qualsiasi pila o batteria eroga la cosiddetta “corrente continua“, mentre le reti elettriche (la classica domestica da 220V per esempio) erogano corrente alternata.

È importante sapere che esse non sono la stessa cosa e, senza scendere in complicate spiegazioni tecniche, ricordati sempre:

Batterie e alimentatori = corrente continua
Prese elettriche = corrente alternata

È una definizione rude e semplicistica, ma non serve sapere altro nel merito di questi nostri articoli.

Indicheremo infine la capacità con Ah (Ampere/ora) o mAh (millesimi di Ampere/ora). La capacità è spesso grossolanamente definita “durata”, ma eviteremo di parlarne in questi termini.

La potenza si esprime in Watt (W) ed è sempre usata per indicare il consumo di qualsiasi apparecchio elettrico. Si calcola con la formula Volt * Ampere.
Esempio: una lampadina LED da 3 volt con potenza di 1 Watt richiede circa 0,333 A di corrente (poiché 3V * 0,333 A = 1 Watt).

Poiché le batterie possono erogare solo una certa corrente massima senza danneggiarsi, è importante sapere cosa alimentare e cosa no, pur soddisfacendo i requisiti di tensione.

Inoltre, invertendo la formula qui sopra, è possibile calcolare in anticipo la durata delle nostre batterie dentro i dispositivi. In caso di emergenza è molto utile saper stimare in anticipo che questa o quella torcia elettrica ci daranno 3 ore piuttosto che 30 ore di luce!

Per farlo, devi conoscere la capacità in mAh della tua batteria e la potenza del dispositivo collegato.
La capacità della cella è misurabile con un caricabatterie da laboratorio come l’OPUS BT-C3100 (ved. oltre), altrimenti devi reperire la scheda tecnica della cella su qualche database online.
Moltiplica la capacità per la tensione NOMINALE (in quando è la tensione media): otterrai un valore chiamato “Watt-ora” (Wh). Dividi i Wh la potenza (W) dell’apparecchio collegato, e avrai una stima attendibile dell’autonomia effettiva!
Esempio: ho una cella 18650 da 2200 mAh carica, cioè 2,2 Ah, la cui tensione nominale è 3,7V.
2,2Ah * 3,7V= 8,14 Wh.
Poiché tale cella è collegata a una torcia che usa un LED da 3 Watt, l’autonomia sarà di circa 2,71 ore, cioè 2 ore e 42 minuti (poiché 8,14 Wh : 3 W= 2,71, che vanno rapportati in minuti!).

In realtà questo è un valore approssimativo, perché ci sono in gioco altre variabili come la temperatura, la qualità dei conduttori interni, etc.

Collegamento in serie

Con la definizione “celle in serie” indicheremo una batteria di più celle collegate tra loro anodo (polo -) contro catodo (polo +), per esempio come le pile messe in fila dentro le torce elettriche. Il collegamento in serie consente di sommare la tensione, ottenendo voltaggio più elevato, senza però sommare le capacità.

Esempio: una cella 18650 eroga 4,2V con una capacità di 2000 mAh; una batteria di tre celle 18650 poste in serie erogherà 12,6V per una capacità di 2000 mAh.

Collegamento in parallelo

Con la definizione “celle in parallelo” indicheremo una batteria di più celle dove tutti gli anodi sono collegati tra loro, e separatamente tutti i catodi sono collegati a propria volta. Il collegamento in parallelo consente di sommare la capacità, ottenendo autonomia più elevata, senza però sommare la tensione.

Esempio: una cella 18650 eroga 4,2V con una capacità di 2000 mAh; una batteria di tre celle 18650 poste in parallelo erogherà 4,2V per una capacità di 6000 mAh.

È ovviamente possibile incrociare serie e paralleli, cosa molto utile per gli utensili che richiedono potenza e autonomia.
Esempio: se disponi di 9 celle da 4,2V e 2000 mAh di capacità, puoi abbinarle in serie a gruppi di tre, e poi mettere in parallelo questi gruppi. Il risultato sarà un pacco batteria di 9 celle da 12,6V e ben 6000 mAh di capacità!

Carico e corto circuito

Con carico o resistenza intendiamo qualsiasi oggetto o apparecchio collegato al circuito che, con la propria presenza, assorbirà energia alimentandosene: una lampadina, un telefono attaccato al caricabatterie, un asciugacapelli sono tutti dei carichi.

Un carico troppo elevato può ricevere alimentazione insufficiente a funzionare correttamente, oppure può causare il sovraccarico dell’alimentazione portando a surriscaldamento dannoso delle batterie.

Con corto circuito intendiamo il collegamento tra due punti di un circuito, privi di qualsivoglia carico o resistenza: la corrente circola liberamente alla massima quantità possibile, spesso causando seri danni alle batterie o pericolose scintille, ma… leggi di seguito!

Fattore “C”

Un ultimo parametro da conoscere, meno importante per l’uso quotidiano e d’emergenza, ma fondamentale per evitare danni, è il “fattore C”, raramente indicato purtroppo. Indica la capacità massima di erogazione della corrente senza che la batteria soffra surriscaldandosi.

Si calcola con la formula C = A / AH, ossia “corrente di erogazione massima sopportabile diviso capacità della batteria“. Non ci dilungheremo oltre, ma come regola spannometrica una cella 18650 può erogare una corrente compresa tra 2 e 4 volte la sua capacità senza problemi (notare che molte sono capaci di erogare anche 10 o 20 volte questo valore, ma senza scheda tecnica sarà quasi impossibile scoprirlo alla cieca).

Esempio: una cella con capacità di 2000 mAh (2 Ah) dovrebbe poter erogare senza problemi fino a 8 Ampere di corrente. Ricorda però: più Ampere si erogano e più le celle e i circuiti si surriscaldano!

Un breve esercizio

Tra i seguenti circuiti (A, B, C), quale è collegato in serie, quale in parallelo e quale è in cortocircuito? La risposta a fine articolo 😉

Batterie 18650: che cosa sono?

Si tratta di elementi al litio il cui nome in codice indica le dimensioni: 18 mm di larghezza per 65 di lunghezza. Esistono molti altri modelli simili che adottano lo stesso tipo di codifica: 16340, 21700, ecc. Sono facilmente ricaricabili, hanno elevata autonomia e, in virtù della loro tensione relativamente alta, una sola cella è capace di svolgere il lavoro di ben 3 pile stilo o ministilo!

Caratteristiche generali

Queste batterie possono essere di due tipi:

  • protetto, quando presentano un terminale a bottoncino sull’estremità del polo positivo (+), detto anche catodo. Esteticamente, la presenza di questa protezione le rende molto simili a delle pile stilo sovradimensionate!
    La protezione ne aumenta la lunghezza di 4-6 mm, e questo potrebbe renderne problematico l’uso in certi dispositivi, ma serve a impedire danni alla cella in caso di sovraccarico o di calo eccessivo della tensione (inconvenienti di cui parleremo in seguito). Generalmente, la protezione “spegne” la cella se rileva un’anomalia di tensione o di temperatura, e a seconda del modello si resetta staccando e reinserendo la batteria, mentre altre volte serve collegarla per pochi secondi a un caricabatterie.
    Nelle celle protette di scarsa qualità, la protezione funziona solo una volta, come una sorta di air-bag non ricaricabile!
  • non protetto, con la testa piatta. Queste ultime sono le più diffuse.

Peso e capacità

Le batterie 18650 hanno un peso ideale di 42-48 grammi.
Ohibò, cosa ce ne frega di saperlo, diresti tu? Questo è importante da sapere nel caso acquistassi celle online, perché il web è pieno di cinesate ignobili che dichiarano specifiche tecniche assurde e impossibili, per poi rifilarti delle celle leggerissime che durano meno di quanto tempo impiegherete a leggere questa frase.

In generale, evita qualsiasi cella che dichiari capacità superiori ai 3600 mAh, perché si tratta quasi sicuramente di truffe. Per le celle da 3000-3600 mAh, fidati soltanto se sono di una marca famosa (Sanyo, Panasonic, Sony, etc).

Tensione

La tensione delle batterie 18650 è di 3,7 V nominali (4,2 V reali) per una capacità media di 2200 mAh, che nelle migliori marche può raggiungere ben 3500-3600 mAh, e capacità di erogazione solitamente tra i 10-20 C. A confronto, le misere pile AA / AAA (stilo /ministilo) ricaricabili al Ni-Mh erogano 1,2 Volt con una erogazione di 0,2-0,5 C: quasi 100 volte inferiore!

Essendo a base di litio, possono essere ricaricate in qualsiasi momento senza soffrire del terribile “effetto memoria” che affligge le batterie al nickel-cadmio o quelle al piombo. Inoltre, possono cedere impressionanti quantità di corrente, e questo può portarle a surriscaldarsi fino a danneggiarsi irrimediabilmente o addirittura a incendiarsi.

Shelf Life

La vita media teorica (shelf life) è di circa 10 anni se custodite correttamente, e mantengono la loro capacità per 500-800 cicli di ricarica. Una volta trascorsi, si individua una perdita di capacità del 10-20% circa, che consente comunque un utilizzo sereno e proficuo per ancora altrettanti cicli!

Criticità

Attenzione però: con le batterie 18650 ci vuole delicatezza. Possono incendiarsi o esplodere se soggette a urti violenti e rotture. Inoltre, possono danneggiarsi in maniera più o meno irreversibile se la loro tensione scende sotto i 2,5 Volt (soglia di sicurezza) o 2,0 Volt (soglia di sopportazione).

18650: perché sceglierle in vista di un’emergenza?

Perché sono le più diffuse e col miglior rapporto qualità/prezzo, anche in termini di prestazioni e volume di ingombro. Le 21700 o le 32650 sono più grosse e capienti, ma raggiungono costi spaventosi nell’ipotesi di approvvigionamento in grandi quantità. Inoltre, le 18650 possono essere reperite gratuitamente con un po’ di ingegno, come vedremo tra poche righe.
E soprattutto possono essere ricaricate con dei semplici pannellini fotovoltaici da campeggio, quelli con prese USB da 5 Volt.
Come vedremo a breve, queste celle possono alimentare l’illuminazione, i dispositivi elettronici e addirittura l’utensileria da lavoro!

Dove trovare le batterie 18650

Al giorno d’oggi, le batterie 18650 si possono trovare con facilità sul web o nei negozi che trattano sigarette elettroniche, a prezzi che non sono mai entusiasmanti a detta di chi scrive.

È interessante notare che è possibile recuperarne quantità enormi smantellando i pacchi batteria dei PC portatili da rottamare (i prepper anglofoni chiamano questa tecnica cell harvesting, cioè raccolto in senso agricolo!). A scanso di responsabilità indesiderate, in questo articolo non vi spiegheremo come farlo, sebbene sia una pratica semplice.

Le istruzioni si trovano con grande facilità nel web, ed è una pratica attorno alla quale sorgono intere community di appassionati che nei loro piani di bug-in progettano (e realizzano!) dei gruppi elettrogeni di accumulo dalle prestazioni sorprendenti.

Utilizzi pratici delle batterie 18650

Se proprio non hai altro modo di accendere un fuoco, prima di rassegnarti a sterili e frustranti sfregamenti di legnetti e pietre focaie devi sapere che ti basta cortocircuitare una di queste celle con del filo elettrico per ottenere delle scintille ragguardevoli.

Se disponi di più celle e del nastro isolante, mettendone in serie 2 o 3 puoi accendere praticamente di tutto grazie alla potenza risultante! Per metterle in serie, basta che le poni in fila una dietro l’altra, testa contro coda (positivo contro negativo insomma), magari steccandole con un rametto per aiutarti, e collegando il filo elettrico alle due estremità. Appena i capi di rame, opportunamente spelati e scoperti, si toccheranno, sarai sorpreso dall’immediato e vigoroso sfrigolio di scintille!

Attenzione: corticircuitare una pila o una batteria è sempre pericoloso! Evita soprattutto un cortocircuito prolungato per non danneggiare la cella, o peggio farla incendiare. Evitate anche di toccare a mani nude le scintille o eventuali oggetti metallici a contatto, perché potreste subire uno shock molto spiacevole.

Un altro uso interessante di queste batterie consiste nella ricarica di cellulari e qualsiasi dispositivo ad alimentazione USB. Potrai costruirti un power bank in casa acquistando sul web il solo guscio vuoto (case, in inglese). Molti di questi consentono inoltre di modificare la tensione di uscita, permettendo addirittura di alimentare computer portatili e dispositivi similari.

Grazie alla modularità di questi case, se si scaricano e se non hai il tempo o la possibilità di ricaricarli ma disponi di altre celle 18650 libere, basterà aprire il modulo, togliere le celle scariche e inserire quelle nuove!

Con le 18650 e un po’ di sano fai-da-te è possibile convertire torce o lanterne che in precedenza sfruttavano pile usa e getta. Va da sé che i benefici sono immensi: standardizzare le proprie dotazioni di emergenza con un unico formato di alimentazione, facilmente ricaricabile tramite pannelli solari USB da campeggio. Chi scrive questo articolo ha addirittura convertito trapani, amplificatori, decespugliatori e motoseghe!

**Din-don, informazione di servizio**
Una certa azienda, mi pare si chiami Tesla, con questo principio ci costruisce delle automobili completamente elettriche, con batterie che contano ben 7000 celle!).

E luce fu: celle 18650 e luci a LED

Le celle 18650 e luci a LED rappresentano forse il matrimonio più felice che si possa ammirare sul suolo terrestre. Due celle in parallelo dentro una torcia Fulton MX-991 (la classica “GI” americana a forma di L) convertita con un bulbo LED da 0,5 Watt riescono a erogare la mostruosità di 140 ore di luce! E quando si scarica, poche ore di ricarica al sole risolvono il problema. Riesci a intravedere i benefici?

Non solo, soprattutto in caso di bugging in, potrebbe valer la pena di fare luce con lampadine a LED da campeggio da 12 Volt. Si trovano facilmente online e il loro aspetto è quello di una normale lampadina. Inoltre, è già collegata a 1-2 metri di cavetti rosso-nero, i quali terminano con dei pratici morsetti a pinza. Questi bulbi sono preziosissimi in quanto non richiedono i classici 220V della rete elettrica o di un generatore a benzina e sono alimentabili dalle classiche batterie da auto o da tre celle 18650 collegate in serie.

Con un bulbo a 3 Watt (circa 250-300 lumen) si possono ottenere circa 15 ore di luce ininterrotta da celle di media qualità. Ciò si traduce in 3-4 giorni di utilizzo parsimonioso prima di dover ricaricare.

Ora, i più attenti tra di voi potrebbero obiettare – Hey, ma perché devo usare lampadine da 12 volt e mettere in serie più celle, quando esistono bulbi da 3 o 5 Volt USB, che potrei alimentare con una sola cella?

La risposta in breve è perché i bulbi a bassissima tensione surriscaldano molto più in fretta. Volendo approfondire, la potenza (in Watt) si calcola con la formula [V*I], ossia Volt per Ampere: per ottenere 6 Watt di potenza, ad esempio, mi servono 4 Volt e 1,5 Ampere di corrente (4*1,5 = 6, no?), oppure 12 Volt e soli 0,5 Ampere (12*0,5 = 6). Sbadigli e calcoli a parte, sappi che maggiore è la corrente (Ampere), e maggiore è il calore generato (consideralo come una sorta di “attrito”).

Il calore è sempre male in elettronica, perché rappresenta energia sprecata – oltre che usura fisica dei componenti! – un effetto collaterale che porta inefficienza energetica.

Ricarica, conservazione e manutenzione

È possibile ricaricare le celle 18650 con dei comodissimi carica batteria USB, capaci quindi di alimentarsi tramite i pannelli solari pieghevoli da campeggio. Di solito questi carica batteria sono economici e consentono di caricare più tipi di pile. Tuttavia, sono poco programmabili ed erogano correnti abbastanza basse, nell’ordine dei 500-1000 mA.

La loro virtù è principalmente la compatibilità USB, per cui conviene averne uno o due a portata di mano quando le cose vanno davvero male. Poiché l’USB è uno standard universale e molto diffuso, quasi tutti i caricabatterie per le 18650 dispongono addirittura di una presa in uscita a 5V, che consente quindi di usare il dispositivo stesso per ricaricarne altri, come una sorta di power bank improvvisato. Nell’ottica di una Bug Out Bag, questo elimina la necessità e il peso di un power bank specifico!

Tra i caricabatterie più professionali dobbiamo menzionare l’economico e sorprendente OPUS BTC-3100 (meglio le versioni 2.2 oppure BT-C3400), che però richiede un’alimentazione a 12 Volt, mediante un trasformatore da collegare a una normale presa di corrente. Questo aspetto è poco pratico in caso di emergenza buia e nera, ma ottimo per l’allestimento domestico, l’analisi e la rigenerazione delle celle recuperate da rottami. È un carica batterie eccezionale ricco di funzionalità da laboratorio che recensirò in un articolo dedicato.

Ricarica

Questi dispositivi caricano le celle fino a un massimo di 4,15 – 4,20 Volt, a seconda di come il produttore imposta la soglia di sicurezza per evitare pericolosi sovraccarichi. Rispetto alle classiche pile al Nickel, le 18650 possono essere caricate molto velocemente, anche a 3A di corrente. Nel concreto, significa che in emergenza è possibile caricarle al 100% in meno di un’ora.

Attenzione: più è bassa la corrente di carica e meno la cella si surriscalda, riducendone l’affaticamento fisico. Se non si va di fretta, è sempre bene caricare le celle a 200-700 mA per prolungarne la longevità.

Le 18650 sopportano le basse e alte temperature meglio delle pile al nickel (soprattutto le terribili Ni-Mh), ma tendono comunque a soffrire molto sopra i 50°C e a perdere efficienza sotto gli 0 gradi Celsius.

Conservazione

Per quanto riguarda la conservazione delle 18650, è fondamentale (F-O-N-D-A-M-E-N-T-A-L-E) distinguere tra lo stoccaggio a lungo termine o la conservazione pronta all’uso. Come tutte le pile ricaricabili (o anche usa e getta), anche queste sono soggette ad autoscarica e all’invecchiamento. Per prolungare al massimo la loro longevità, è consigliabile tenerle cariche soltanto al 50% (3,6 – 3,7V) e conservarle tra i 5°C e 15°C. Se hai una cantina secca, è il posto perfetto! Questi accorgimenti possono portarle a durare ben oltre i 10 anni tipici della loro categoria. In queste condizioni il tasso di autoscarica oscilla tra l’1% e il 4% al mese a seconda della qualità intrinseca della cella.

Chi scrive ha condotto dei test che hanno portato a rilevare una perdita di appena il 2% in un anno su celle di ottima fattura e conservate al fresco. Se invece si desidera conservare le celle al massimo della carica, pronte all’uso, il tasso di autoscarica può raggiungere il 10% al mese, anche se in questo caso entrano in gioco variabili tra le quali l’usura della cella. Maggiori sono i cicli di carica-scarica subiti nel tempo e più tenderà ad autoscaricarsi.

In realtà, abbiamo condotto dei test su celle in ottime condizioni rilevando una perdita di appena il 5% annuo su celle che erano state caricate al massimo e ben conservate. Queste celle non richiedono particolare manutenzione, a parte un controllo semestrale o annuale della loro tensione, ed eventuale ricarica per riportarle alla soglia desiderata.

Questo controllo può essere fatto con un tester/multimetro, economico e reperibile in qualsiasi ferramenta (o su Amazon), oppure con caricabatterie professionali tipo l’OPUS. Il consiglio è comunque di eliminare senza pietà quelle celle che dimostrino un’autoscarica eccessivamente anomala (ES: il 50% in 2 mesi), perché ciò indica che sono arrivate a fine carriera ed è inutile farvi affidamento.

Per esaminare la tensione di una cella col tester, impostalo sui 20V a corrente continua (indicati con V⎓), e tocca i due poli + e – coi puntali. Questo metodo è utile anche per capire il livello di carica delle pile usa e getta!

Vantaggi e svantaggi della 18650

Abbiamo dunque snocciolato pro e contro di questi fenomenali concentrati di energia. Riassumendo, i principali vantaggi sono:

  • Facile reperibilità, talvolta gratuita;
  • Tensione nominale elevata e buona autonomia;
  • Facilità e velocità di ricarica;
  • Versatilità quasi universale.

Di contro, gli svantaggi invece:

  • Sono fisicamente delicate;
  • Possono incendiarsi o esplodere se maneggiate da perfetti idioti, con poca cura;
  • Più sono cariche e più in fretta tendono ad autoscaricarsi, sebbene l’entità sia abbastanza trascurabile;
  • Sono longeve ma non eterne (come qualsiasi pila del resto!);
  • Possono danneggiarsi irreversibilmente se scaricate oltre la propria soglia massima di sicurezza.

Soluzione all’esercizio:
Figura A, in parallelo – Figura B, in serie – Figura C, corto circuito.

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