La capacità in mAh riceve tutta l'attenzione su una scheda tecnica, ma la resistenza interna è la specifica che decide in silenzio se una batteria funziona in un dispositivo reale. Determina di quanto cade la tensione sotto carico, quanto calore genera un pack, quanti ampere possono essere forniti in un impulso e con quanta uniformità le celle invecchiano in una stringa in serie. Per i prodotti ad alto assorbimento — utensili elettrici, pompe mediche, motori, pack di avviamento — la resistenza interna conta più della capacità nominale. Questo articolo spiega cosa sia realmente la resistenza interna dentro una cella NiMH, come la misurano le fabbriche e come progettare attorno alla caduta di tensione e al calore che crea.

Da dove viene la resistenza interna

Una cella NiMH non è una sorgente di tensione ideale; la corrente che l'attraversa incontra diversi contributi resistivi, di solito raggruppati come:

• Resistenza ohmica — la resistenza elettronica dei substrati in schiuma di nichel, collettori di corrente, saldature delle linguette, e la resistenza ionica dell'elettrolita KOH e del separatore. Questa componente risponde istantaneamente, come un resistore convenzionale.
• Resistenza di trasferimento di carica — la barriera cinetica delle reazioni elettrochimiche sulle superfici degli elettrodi, che dipende da attività catalitica, superficie e temperatura.
• Resistenza di diffusione (concentrazione) — il limite più lento di ioni e idrogeno che si muovono attraverso elettrodi porosi, che compare durante carichi sostenuti.

Le celle NiMH ad alta potenza aggrediscono tutte e tre: elettrodi sottili ad ampia superficie accorciano i percorsi di diffusione, collettori in schiuma altamente conduttivi riducono la perdita ohmica e additivi dell'elettrolita mantengono alta la conducibilità ionica a bassa temperatura.

Due modi in cui le fabbriche la misurano

La resistenza interna dipende dal tempo, quindi esistono due metodi di misura standard i cui numeri non sono intercambiabili:

• Resistenza interna in corrente alternata (ESR) a 1 kHz — un piccolo segnale alternato sonda la cella; a 1 kHz i lenti processi di diffusione non possono seguire, quindi la lettura cattura principalmente la componente ohmica. È veloce, non distruttiva ed è il metodo di smistamento standard sulla linea di produzione (spesso chiamato ACIR). Una cella AA NiMH di qualità legge tipicamente poche decine di milliohm.
• Resistenza interna in corrente continua (DCIR) — la cella viene fatta passare tra due correnti di scarica e la resistenza è calcolata come ΔV/ΔI su un intervallo definito (comunemente da poche decine di millisecondi a diversi secondi). Intervalli più lunghi includono effetti di trasferimento di carica e diffusione, quindi il DCIR è di solito più alto dell'ACIR ma più vicino a ciò che sperimenta un carico reale.

Confrontando i fornitori, confrontate lo stesso metodo: un numero ACIR a 1 kHz non può essere messo a confronto con un numero DCIR a 10 secondi.

Rᵢ determina la caduta di tensione

La tensione ai terminali di una cella sotto carico segue una relazione semplice: V_terminali = V_{circuito aperto} − I × Rᵢ. La resistenza interna converte la corrente in una caduta di tensione immediata. Esempio numerico: una cella con 20 mΩ di resistenza interna che porta un impulso da 5 A perde istantaneamente 0,10 V; due celle da 40 mΩ perdono 0,20 V sotto lo stesso impulso — la differenza tra un motore che si avvia in modo pulito e uno che manda il controller in sottotensione. Per questo le celle ad alta potenza sono definite tanto dalla lettura in milliohm quanto dai mAh.

Rᵢ diventa calore

La stessa caduta resistiva dissipa energia sotto forma di calore a una velocità P = I²R. Poiché il calore scala con il quadrato della corrente, raddoppiare la corrente di carico quadruplica il riscaldamento resistivo. In un pack questo calore si cumula: la temperatura sale, la conducibilità dell'elettrolita e la cinetica degli elettrodi cambiano, e durante la carica la reazione di ricombinazione aggiunge altro calore. Celle a bassa resistenza e interconnessioni a bassa resistenza sono quindi la base del progetto termico — tengono un pack fresco assai più efficacemente di un raffreddamento aggiunto a posteriori.

Come Rᵢ si muove con SOC, temperatura ed età

• Stato di carica — la resistenza segue una morbida forma a U: lievemente elevata a carica piena, minima sull'altopiano di SOC medio e in crescita evidente vicino al vuoto man mano che il materiale attivo si esaurisce — la firma elettrica del ginocchio di scarica.
• Temperatura — il freddo alza drasticamente Rᵢ quando la conducibilità dell'elettrolita e la cinetica di reazione rallentano, motivo per cui le prestazioni ad alto assorbimento a freddo richiedono gradi speciali; il calore abbassa Rᵢ ma accelera l'invecchiamento.
• Età e cicli — man mano che le celle invecchiano, crescono strati di corrosione, l'elettrolita si ridistribuisce e la struttura degli elettrodi si degrada, quindi Rᵢ sale costantemente. Tracciare la resistenza nel corso della vita è quindi un indicatore di salute affidabile, e uno screening Rᵢ in ingresso cattura le celle deboli prima che raggiungano un pack.

Progettare attorno alla resistenza interna

• Specificate il grado, non solo la capacità — scegliete celle ad alta potenza con un limite ACIR massimo scritto nella specifica.
• Abbinate Rᵢ, non solo i mAh — le stringhe in serie vanno costruite con celle classate nella stessa stretta banda di resistenza, così la corrente produce uguale caduta in ogni cella.
• Parallelo per abbassare la resistenza del pack — celle in parallelo condividono la corrente e dimezzano la resistenza efficace; la serie alza la tensione senza cambiare la caduta per cella.
• Minimizzate la perdita di interconnessione — saldature corte, larghe, multilinguetta e un'adeguata sezione della barra collettrice evitano di aggiungere milliohm che le celle hanno lavorato per eliminare.
• Validate sull'impulso — provate la caduta di tensione alla corrente e temperatura peggiori e verificate la crescita della resistenza lungo la vita ciclica, non solo su campioni del primo giorno.

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