Le batterie hanno una grande influenza sul nostro modo di vivere a causa della loro compattezza e mobilità.
Nei paesi industrializzati ogni persona usa una media di 10 batterie ogni anno.
Le batterie sono dispositivi ingegnosamente costruiti nei quali vengono ospitati semireazioni e semicelle alquanto inusuali, ma la loro operazione è basata sui principi elettrochimici.
Ci sono diverse classi di batterie. In questo articolo esamineremo i due tipi di batterie più utilizzati – primarie e secondarie – ed esamineremo alcuni importanti esempi di ciascuna.
Batterie primarie (non ricaricabili)
Una batteria primaria non può essere ricaricata e dunque viene gettata quando è Scarica, cioè quando i componenti hanno raggiunto le concentrazioni di equilibrio.
Batteria alcalina
Inventata intorno al 1860, la comune pila a secco, o cella Leclanché, è diventata un elemento familiare in molte case durante i primi tre quarti del XX secolo.
L’anodo della pila a secco è un contenitore di zinco, all’interno del quale sono situate una miscela di MnO, e una pasta elettrolitica debolmente acida costituita da
NHCI, ZnCl, H20 e amido.
La polvere di grafite aumenta la conduttività e il catodo è costituito una barretta cli grafite inerte. La semireazione catodica è complessa, ma sostanzialmente avviene la riduzione di MnO2(s) a Mn2O3(s) e una reazione acido-base tra NH4+ e OH-.
Ad elevata intensità di corrente, la reazione produce ammoniaca gassosa che può accumularsi e causare un’elevata caduta di tensione. Inoltre l’anodo di zinco può reagire con gli ioni ammonio, debolmente acidi, limitando così fortemente la durata della pila a secco.
Anche se più costosa della pila a secco, la batteria alcalina ne rappresenta “l’evoluzione”. I materiali elettrodici sono gli stessi, zinco e diossido di manganese, ma l’elettrolita è una pasta di KOH e acqua. Le semireazioni sono essenzialmente le stesse, ma l’elettrolita basico evita l’accumulo di gas e non altera l’elettrodo di Zn:
Come la pila a secco, la batteria fornisce energia a radio portatili, giocattoli, torce elettriche. Inoltre è economica, sicura ed è disponibile in diverse dimensioni e non ha cadute di tensione e ha lunghi tempi di vita.
Batterie a bottone a mercurio e argento
Le batterie a mercurio e ad argento sono molto simili. Entrambe utilizzano un anodo di zinco (agente riducente) in un mezzo basico. Una utilizza HgO come agente ossidante e l’altra Ag2O.
Entrambe hanno un catodo di acciaio. I reagenti solidi sono compattati separatamente con KOH e carta umida costituisce il ponte salino.
Entrambe sono costruite a forma di un piccolo bottone.
La cella a mercurio è usata nelle calcolatrici. La celle di argento ha un’uscita molto stabile ed è utilizzata in orologi, macchine fotografiche, pacemakers cardiaci e apparecchi acustici. I loro principali svantaggi sono la tossicità del mercurio che viene rilasciato dalle celle gettate via e l’elevato costo delle celle ad argento.
Batterie primarie al litio
Queste batterie sono ampiamente utilizzate in orologi e impianti elettrici. La batteria primaria al litio è caratterizzata da un elevatissimo rapporto energia/massa: produce infatti 1 mol di e- (1 F) da meno di 7 grammi di metallo (Massa Molare del Litio è 6,491 g/mol).
L’anodo è una lamina di litio metallico e dunque l’elettrolita deve essere non acquoso. Il catodo è uno dei numerosi ossidi in cui lo ione litio può intercalarsi tra i piani del cristallo. In molti dispositivi per impianti medici il catodo è un ossido di vanadio e argento (AgV2O5,5) e può fornire energia per molti anni. Le semireazioni sono:
Batterie secondarie (ricaricabili)
Diversamente dalle batterie primarie, quando una batteria secondaria, o ricaricabile, è scarica, può essere ricaricata fornendo energia elettrica per invertire la reazione di cella e riformare i reagenti. In altre parole, in questo tipo di batterie le celle voltaiche sono periodicamente trasformate in celle elettrolitiche per ricreare concentrazioni di non equilibrio. La batteria secondaria più ampiamente utilizzata è certamente la comune batteria delle automobili. Due tipi più nuovi di batterie ricaricabili sono quella nickel-metallo-idruro e la batteria litio-ione, una versione secondaria della batteria al litio.
Batteria piombo-acida (accumulatore al piombo)
Una tipica batteria da automobile da 12 V ha sei celle collegate in serie, ognuna delle quali produce circa 2,1 V. Ogni cella contiene due griglie di piombo nelle quali vengono compressi i materiali elettrodici.
L’anodo è polvere di Pb spugnosa (a elevata area superficiale) e il catodo è PbO2.
Le griglie sono immerse in una soluzione elettrolitica di H2SO4 4.5M. Fogli di fibra di vetro tra le griglie impediscono cortocircuiti dovuti a possibili contatti fisici. Quando la cella si scarica genera energia elettrica come una cella voltaica:
Per più di un secolo i possessori di automobili e camion si sono affidati agli accumulatori al piombo per ottenere l’intensa corrente necessaria per avviare il motore per lunghi periodi di tempo e in condizioni climatiche avverse, Gli accumulatori al piombo hanno però diversi svantaggi tra cui perdita di capacità e sicurezza.
La perdita di capacità deriva da diversi fattori tra cui la corrosione della griglia di piombo positiva, la rimozione dei materiali attivi per effetto di stress meccanici e scosse in percorsi accidentati, e la formazione di cristalli di PbSO4, che è necessario nella ricarica. Se troppo PbSO4 viene rimosso, la batteria non può essere ricaricata.
Le vecchie batterie avevano un tappo di plastica su ogni cella in modo da poterle aprire per controllare la densità dell’elettrolita e aggiungere l’acqua persa durante la scarica. Durante la carica parte dell’acqua potrebbe subire elettrolisi e produrre H2 e O2, che costruiscono una miscela esplosiva in presenza di una scintilla. L’esplosione potrebbe causare dispersione di H2SO4. Nelle moderne batterie si utilizza una lega di piombo che inibisce elettrolisi e riduce le perdite d’acqua, perciò sono sigillata.
Batterie nickel-maettalo idruro (Ni-MH)
Le preoccupazioni per gli effetti tossici della batteria al nickel-cadmio (nicad) hanno spinto a sostituirla con la batteria nickel-metallo idruro. Nella semireazione anodica si ha ossidazione dell’idrogeno assorbito su leghe metalliche (indicate con M, per esempio LaNi5) in un elettrolita basico (KOH), mentre il nickel(III), sotto forma di NiO(OH), viene ridotto al catodo:
la reazione di cella viene invertita durante la carica.
La batteria Ni-MH viene utilizzata comunemente in apparecchi cordless e flash fotografici. E’ leggera, fornisce elevata potenza ed evita la tossicità del cadmio, ma si scarica anche quando non utilizzata.
Batteria litio-ione
La moderna batteria litio-ione ha un anodo di atomi di litio intercalati (giacenti) tra piani di grafite (indicati con LixC6). Il catodo è un ossido misto di litio e un altro metallo, quale LiMn2O4, e un tipo elettrolita LiPF6 1 M in un solvente organico, spesso una miscela di dimetilcarbonato ed etilmetilcarbonato. Gli elettroni fluiscono attraverso il circuito, mentre gli ioni Li+ solvatati fluiscono dall’anodo al catodo. Le reazioni di cella sono:
La reazione di cella viene invertita durante la carica. La batteria litio-ione viene utilizzata in un computer portatili, telefoni, videocamere. I suoi principali difetti sono il costo relativamente elevato e l’infiammabilità.
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Simone Candido
Simone Candido è un ragazzo appassionato del mondo tech nella sua totalità. Simone ama immedesimarsi in nuove esperienze, la sua filosofia si basa sulla irrefrenabile voglia di ampliare a 360° le sue conoscenze abbracciando tutti i campi del sapere, in quanto ritiene che il sapere umano sia il connubio perfetto tra cultura umanistica e scientifica.