Ho individuato il mio problema di caduta a 0/40 mAh di capacità della batteria: non è la batteria il problema, ma il mio caricabatterie.

Un semplice scollegamento dell'arduino per 5 minuti ha sbloccato il mosfet che gestisce lo scarico.

Se tutto va bene per 4 cicli, riprenderei le mie ricerche.