I ricercatori della WMG dell'Università di Warwick hanno scoperto che l'uso della ricarica induttiva, pur essendo molto conveniente, rischia di esaurire la vita dei telefoni cellulari che utilizzano i tipici LIB (batterie agli ioni di litio)

I consumatori e i produttori hanno aumentato il loro interesse per questa comoda tecnologia di ricarica, abbandonare il giocherellare con spine e cavi a favore del semplice posizionamento del telefono direttamente su una base di ricarica.

Standardizzazione delle stazioni di ricarica, e l'inclusione di bobine di ricarica induttiva in molti nuovi smartphone ha portato a un rapido aumento dell'adozione della tecnologia. Nel 2017, 15 modelli di automobili hanno annunciato l'inclusione di console all'interno dei veicoli per la ricarica induttiva di dispositivi elettronici di consumo, come gli smartphone e, su scala molto più ampia, molti lo stanno prendendo in considerazione per la ricarica delle batterie dei veicoli elettrici.

La carica induttiva consente a una fonte di alimentazione di trasmettere energia attraverso un traferro, senza l'uso del cavo di collegamento, ma uno dei problemi principali con questa modalità di ricarica è la quantità di calore indesiderato e potenzialmente dannoso che può essere generato. Esistono diverse fonti di generazione di calore associate a qualsiasi sistema di ricarica induttiva, sia nel caricabatterie che nel dispositivo in carica. Questo riscaldamento aggiuntivo è aggravato dal fatto che il dispositivo e la base di ricarica sono in stretto contatto fisico, qualsiasi calore generato in un dispositivo può essere trasferito all'altro per semplice conduzione termica e convezione.

In uno smartphone, la bobina di ricezione dell'alimentazione è vicina alla cover posteriore del telefono (che di solito è elettricamente non conduttiva) e i vincoli di imballaggio richiedono il posizionamento della batteria del telefono e dell'elettronica di alimentazione nelle immediate vicinanze, con limitate possibilità di dissipare il calore generato nel telefono, o schermare il telefono dal calore generato dal caricabatterie. È stato ben documentato che le batterie invecchiano più rapidamente se conservate a temperature elevate e che l'esposizione a temperature più elevate può quindi influenzare in modo significativo lo stato di salute (SoH) delle batterie durante la loro vita utile.

La regola empirica (o più tecnicamente l'equazione di Arrhenuis) è che per la maggior parte delle reazioni chimiche, la velocità di reazione raddoppia ad ogni aumento di temperatura di 10 °C. In una batteria, le reazioni che possono verificarsi comprendono la velocità di crescita accelerata dei film passivanti (un sottile rivestimento inerte che rende non reattiva la superficie sottostante) sugli elettrodi della cella. Ciò avviene attraverso reazioni di ossidoriduzione cellulare, che aumentano irreversibilmente la resistenza interna della cellula, in ultima analisi, con conseguente degrado delle prestazioni e guasti. Una batteria agli ioni di litio che dimora sopra i 30 °C è generalmente considerata a temperatura elevata che espone la batteria al rischio di una vita utile ridotta.

Le linee guida emesse dai produttori di batterie specificano inoltre che l'intervallo di temperatura operativa superiore dei loro prodotti non deve superare l'intervallo di 50-60 °C per evitare la generazione di gas e guasti catastrofici.

Questi fatti hanno portato i ricercatori WMG a condurre esperimenti confrontando gli aumenti di temperatura durante la normale ricarica della batteria tramite cavo con la ricarica induttiva. Tuttavia, i WMG erano ancora più interessati alla ricarica induttiva quando il consumatore disallinea il telefono sulla base di ricarica. Per compensare lo scarso allineamento del telefono e del caricabatterie, i sistemi di ricarica induttiva tipicamente aumentano la potenza del trasmettitore e/o regolano la loro frequenza operativa, che comporta ulteriori perdite di efficienza e aumenta la generazione di calore.

Questo disallineamento può essere un evento molto comune poiché la posizione effettiva dell'antenna ricevente nel telefono non è sempre intuitiva o ovvia per il consumatore che utilizza il telefono. Il team di ricerca WMG ha quindi anche testato la ricarica del telefono con un deliberato disallineamento delle bobine del trasmettitore e del ricevitore.

Tutti e tre i metodi di ricarica (cavo, induttivo allineato e induttivo disallineato) sono stati testati con carica simultanea e imaging termico nel tempo per generare mappe di temperatura per aiutare a quantificare gli effetti del riscaldamento. I risultati di questi esperimenti sono stati pubblicati sulla rivista ACS Energy Letters in un articolo intitolato "Considerazioni sulla temperatura per la ricarica di batterie agli ioni di litio:modalità di ricarica induttiva rispetto alla rete per dispositivi elettronici portatili".

La grafica con questo comunicato stampa illustra tre modalità di ricarica, basato su (a) carica di rete CA (carica del cavo) e carica induttiva quando le bobine sono (b) allineate e (c) disallineate. I pannelli i e ii mostrano una visione realistica delle modalità di ricarica con un'istantanea delle mappe termiche del telefono dopo 50 minuti di ricarica. Indipendentemente dalla modalità di ricarica, il bordo destro del telefono ha mostrato un tasso di aumento della temperatura più elevato rispetto ad altre aree del telefono ed è rimasto più alto durante il processo di ricarica. Una scansione TC del telefono ha mostrato che questo hotspot è dove si trova la scheda madre.

• Nel caso del telefono caricato con alimentazione di rete convenzionale, la temperatura media massima raggiunta entro 3 ore dalla ricarica non ha superato i 27 °C.
• Al contrario, questo per il telefono caricato mediante ricarica induttiva allineata, la temperatura ha raggiunto il picco a 30,5 °C ma si è gradualmente ridotta per la seconda metà del periodo di carica. Questo è simile alla temperatura media massima osservata durante la carica induttiva disallineata.
• In caso di carica induttiva disallineata, la temperatura di picco era di entità simile (30,5 °C) ma questa temperatura è stata raggiunta prima e si è conservata molto più a lungo a questo livello (125 minuti contro 55 minuti per una carica correttamente allineata).

Degno di nota è stato anche il fatto che la potenza massima in ingresso alla base di ricarica era maggiore nel test in cui il telefono era disallineato (11 W) rispetto al telefono ben allineato (9,5 W). Ciò è dovuto al sistema di ricarica che aumenta la potenza del trasmettitore in caso di disallineamento per mantenere la potenza di ingresso target al dispositivo. La temperatura media massima della base di ricarica durante la ricarica in caso di disallineamento ha raggiunto 35,3 °C, due gradi in più rispetto alla temperatura rilevata quando il telefono è stato allineato, che ha raggiunto 33 °C. Questo è sintomatico del deterioramento dell'efficienza del sistema, con ulteriore generazione di calore attribuibile alle perdite dell'elettronica di potenza e alle correnti parassite.

I ricercatori notano che i futuri approcci alla progettazione della ricarica induttiva possono ridurre queste perdite di trasferimento, e quindi ridurre il riscaldamento, utilizzando bobine ultrasottili, frequenze più alte, e l'elettronica di azionamento ottimizzata per fornire caricabatterie e ricevitori compatti e più efficienti e che possono essere integrati in dispositivi mobili o batterie con modifiche minime.

In conclusione, il team di ricerca ha scoperto che la ricarica induttiva, mentre conveniente, probabilmente porterà a una riduzione della durata della batteria del telefono cellulare. Per molti utenti, questo degrado può essere un prezzo accettabile per la comodità della ricarica, ma per coloro che desiderano tirare fuori la vita più lunga dal proprio telefono, la ricarica del cavo è comunque consigliata.