Principi Fondamentali e Classificazione delle Batterie Elettriche

Introduzione alle Batterie e alle Celle Elettrolitiche

Una batteria è una serie di celle elettrolitiche utilizzate per generare una corrente elettrica continua o diretta. Esistono celle primarie e celle secondarie.

Celle Primarie (Pile)

Chiamate pile o batterie comunemente, producono energia elettrica tramite un processo chimico irreversibile e, una volta esaurite, devono essere rimosse e sostituite.

Celle Secondarie (Accumulatori)

Chiamate celle secondarie o accumulatori comunemente, agiscono secondo un principio reversibile e possono essere ricaricate collegandole a un'altra fonte adeguata di energia elettrica.

Componenti Fondamentali di una Cella

Ogni cella ha due elettrodi immersi in un elettrolita. L'elettrolita è una sostanza, spesso liquida, che conduce l'elettricità a causa della dissociazione di un gran numero di ioni. Gli ioni sono atomi che hanno perso o guadagnato elettroni e, di conseguenza, possiedono una carica elettrica. Esempi più noti di elettroliti sono soluzioni di acidi, basi e sali.

Quando due elettrodi appropriati sono immersi in un elettrolita, si verifica un eccesso di elettroni su un elettrodo (negativo) e una carenza di elettroni compare sull'altro (positivo). Questa differenza di carica elettrica tra gli elettrodi è una differenza di potenziale che può generare una corrente elettrica attraverso un circuito conduttore esterno che collega i due elettrodi. Il flusso di elettroni avviene dall'elettrodo negativo a quello positivo, ma, per convenzione (a causa di ragioni storiche, non dimentichiamo che gli elettroni sono stati scoperti molto tempo dopo l'invenzione delle celle elettrolitiche), è stato concordato che la corrente fluisca dal positivo al negativo.

Batterie Primarie (Non Ricaricabili)

Alcuni esperimenti nel XVIII secolo portarono alla scoperta che quando due materiali diversi, come lo zinco e il carbone (o il rame, usato al posto del carbone), sono immersi in una soluzione acida (es. acido solforico diluito in acqua), l'azione chimica produce una forza elettromotrice tra lo zinco e il carbone. I materiali immersi nell'acido sono chiamati elettrodi: lo zinco è negativo e il carbone (o rame) è positivo. La soluzione acida diluita è chiamata elettrolita, e l'insieme viene chiamato pila. Si confonde spesso la cella con la batteria, ma la cella è l'unità di base, mentre due o più celle costituiscono una batteria.

Tipi di Celle Primarie

Le celle o pile possono essere a umido o a secco, a seconda che l'elettrolita sia costituito da un liquido o da una pasta.

• Cella Voltaica (a Umido): La cella originaria a umido, chiamata cella voltaica in omaggio allo scienziato italiano Alessandro Volta (che realizzò la prima cella con dischi di zinco e rame separati da strati di feltro imbevuto di acido diluito), contiene elettrodi di zinco e carbonio (o rame) immersi in un elettrolita di acido solforico.
• Pila a Secco (Moderna): La moderna pila o batteria a secco ha un elettrodo negativo di zinco (che forma il rivestimento esterno) e un elettrodo di carbone positivo. L'elettrolita è una pasta spessa, costituita da una miscela di grafite, cloruro di ammonio e biossido di manganese. Questo tipo di cella si basa sul sistema Leclanché, inventato dallo scienziato francese Georges Leclanché.

Quando è collegata esternamente, viene generata corrente elettrica tra il positivo e il negativo. Nella pila, l'elettrodo di zinco si dissolve lentamente mentre è in funzione. Si può arrivare al punto in cui lo zinco si corrode in modo tale che la batteria smetta di funzionare. Quando raggiunge questo punto, la batteria ha raggiunto la fine della sua vita. In altre parole, la batteria primaria ha una durata limitata, dopo la quale il suo funzionamento non può tornare a condizioni normali.

Batteria Zinco-Carbone (Leclanché)

La batteria più popolare e più utilizzata è del tipo zinco-carbone, a volte chiamata Leclanché. In questa batteria l'elettrodo positivo è il carbonio (C) e il negativo è lo zinco (Zn). L'elettrolita è una sostanza chimica nota come cloruro di ammonio ($NH_4Cl$), spesso chiamato sale d'ammonio. L'elettrodo negativo ha la forma di un contenitore e racchiude l'intera pila. L'elemento positivo è a forma di asta di carbonio ed è posto al centro della pila. L'elettrolita è mescolato con amido o farina in una pasta (cioè, una pila a secco, che non è veramente "a secco"). Quando l'elettrolita si asciuga, la batteria smette di funzionare.

Caratteristiche Operative

Quando la batteria funziona correttamente, tra il positivo e il negativo appare una differenza di potenziale (tensione) di 1,6 volt. Quando la batteria si sta "scaricando", sia perché l'elettrolita si è seccato o perché si è corroso il contenitore di zinco, la tensione ai terminali scende a 1,1 volt (scarica).

Tali batterie sono inutili una volta scaricate per la maggior parte delle applicazioni e non possono essere ricaricate, quindi devono essere smaltite. Diverse combinazioni di metalli ed elettroliti possono portare a tensioni diverse tra i terminali.

L'Uso delle Batterie Zinco-Carbone

Quando si collega un filo conduttore tra i terminali di una pila a secco zinco-carbone, l'elettrolita ($NH_4Cl$) contiene ioni ammonio ($NH_4^+$) e ioni cloruro ($Cl^-$). Quando lo zinco entra in contatto con l'elettrolita, gli ioni di zinco ($Zn^{++}$) entrano nella soluzione, lasciando due elettroni sull'elettrodo negativo. L'accumulo di elettroni crea una carica negativa sullo zinco. Gli ioni ($Zn^{++}$) in soluzione respingono gli ioni ammonio ($NH_4^+$) e gli ioni positivi di idrogeno ($H^+$), che si raccolgono sulla superficie dell'elettrodo di carbonio sotto forma di bolle di gas. La perdita di elettroni lascia l'elettrodo di carbonio con una carica positiva. Gli ioni ($Zn^{++}$) si combinano chimicamente con gli ioni ($Cl^-$) per formare cloruro di zinco ($ZnCl_2$), una sostanza bianca. Si può notare questa sostanza quando le batterie invecchiano troppo. Il contenitore di zinco viene gradualmente consumato per formare il ($ZnCl_2$) durante il funzionamento della pila.

Gli elettroni raggruppati sull'elettrodo di zinco si respingono. Questa repulsione, accoppiata con l'attrazione della carica positiva sugli elettrodi di carbonio, si traduce nella formazione della FEM (Forza Elettromotrice) della pila. Questa FEM provoca un flusso di corrente di elettroni tra gli elettrodi, quando è presente un percorso esterno.

Il Problema della Polarizzazione

Durante il processo, le bolle di idrogeno si accumulano sulla superficie del carbonio, e questo influisce sul corretto funzionamento della pila, in quanto ostacola e blocca l'azione chimica. Questo fenomeno è chiamato polarizzazione, e per evitarlo viene aggiunto biossido di manganese all'elettrolita, che si combina con l'idrogeno e forma acqua.

Batteria Primaria Ossido di Zinco-Mercurio

Un altro tipo di batteria primaria è quella a ossido di zinco-mercurio, inventata a metà del XX secolo. La batteria è costituita da un elettrodo negativo di zinco in polvere amalgamata o lastre ondulate, mentre l'elettrodo positivo è una miscela di ossido di mercurio e grafite, pressofusa. Entrambi gli elettrodi sono contenuti in un contenitore in acciaio. L'elettrolita è una soluzione di idrossido di potassio e ossido di zinco, e per il riempimento dell'elettrolita viene utilizzato materiale cellulosico come separatore.

Vantaggi e Applicazioni

La tensione normale della batteria (quando non in uso) è di 1,34 volt, ma con un normale flusso di corrente la tensione scende a valori compresi tra 1,31 e 1,24 volt. Rispetto alla maggior parte degli altri tipi di pile, le batterie zinco-ossido di mercurio hanno dei vantaggi, come ad esempio:

• La tensione è praticamente costante durante il suo ciclo di scarica.
• La sua capacità di fornire elettroni all'elettrodo negativo è superiore alla batteria zinco-carbone.
• Permette una corrente relativamente più elevata, che può essere mantenuta per un tempo considerevolmente lungo.
• Mantiene questi vantaggi anche alle alte temperature.

Sono relativamente costose e la loro applicazione è principalmente dove le loro piccole dimensioni (da 12 a 25 mm di diametro e pochi mm di altezza) rappresentano un vantaggio. Un vantaggio interessante di questa batteria è la sua capacità di mantenere una tensione costante per tutta la sua vita. In molte applicazioni, la tensione di questa batteria è usata come parametro con cui vengono regolati gli strumenti di misura.

Batterie Secondarie (Accumulatori Ricaricabili)

Gli accumulatori consistono in un insieme di celle secondarie. Una cella secondaria può scaricarsi e poi tornare allo stato di piena carica se viene attraversata da una corrente continua nella direzione opposta a quella di scarica. Questo processo può essere ripetuto centinaia di volte prima che la batteria si esaurisca.

Accumulatore al Piombo-Acido

La batteria di un'automobile, per esempio, è costituita da un set di batterie al piombo. Ognuna di esse contiene due piastre di piombo (Pb), che assumono la forma di griglie per aumentare la superficie. I fori della griglia negativa sono riempiti di piombo spugnoso, mentre la griglia positiva è riempita di biossido o perossido di piombo ($PbO_2$). Il piombo è l'elettrodo negativo e il perossido è il positivo. L'elettrolita è acido solforico ($H_2SO_4$) miscelato con acqua distillata ($H_2O$).

Funzionamento Chimico

La serie di celle secondarie è formata da una serie di piatti alternati di piombo e biossido immersi in una soluzione di acido solforico ($H_2SO_4$) in acqua distillata ($H_2O$), che è l'elettrolita. Il piombo e il biossido di piombo reagiscono con l'acido solforico per formare solfato di piombo e acqua. Vengono rilasciati ioni idrogeno positivi e ioni solfato negativi. Il solfato di piombo è praticamente insolubile nell'elettrolita e forma una patina bianca sulle piastre. Quando entrambi i set di piastre sono coperti, la batteria è scarica, perché non c'è differenza di potenziale tra le piastre.

Ricarica

Quando un alimentatore esterno in corrente continua viene collegato per ricaricare le piastre, gli ioni idrogeno migrano verso le piastre negative e gli ioni solfato verso il positivo. Torna a formarsi piombo spugnoso sulle piastre negative e biossido di piombo sul positivo.

La tensione nominale di una cella al piombo è di circa 2,2 volt, e una batteria per auto è di solito costituita da sei celle collegate in serie in modo da ottenere dodici volt ai morsetti della batteria. La batteria al piombo è in grado di fornire una corrente estremamente alta di diverse centinaia di ampere.

Carica e Scarica nell'Accumulatore al Piombo

Analizziamo i fenomeni chimici in una batteria al piombo:

• Stato di Carica Completa: La piastra negativa (elettrodo negativo) è di piombo e la piastra positiva (elettrodo positivo) è di perossido. L'elettrolita è acido solforico e acqua.
• Fase di Scarica: Se si collega un filo tra il positivo e il negativo, la corrente fluisce e la batteria inizia a scaricarsi. Durante la scarica si riduce il tenore di acidità dell'elettrolita e si deposita solfato di piombo ($PbSO_4$) su entrambe le piastre, positive e negative. Di conseguenza, aumenta la quantità di acqua. Questo processo continua fino a quando entrambi gli elettrodi contengono un massimo di solfato di piombo e la densità dell'elettrolita è molto bassa. A quel punto, la FEM tra loro è minima.
• Fase di Ricarica: La batteria può essere ricaricata invertendo la direzione della corrente di scarica. Questo viene fatto collegando il polo positivo della batteria al terminale positivo del caricabatterie. Durante il processo di caricamento, ritorna piombo sulla piastra negativa e perossido di piombo sulla positiva. Il solfato torna nell'elettrolita e la sua densità aumenta. Durante la carica, si evolvono idrogeno e ossigeno, ed è necessario aggiungere un po' d'acqua all'elettrolita per sostituire ciò che è stato perso. Ecco perché l'acqua viene aggiunta alla batteria dell'auto due o tre volte l'anno.

Altri Tipi di Batterie Secondarie

Batteria Alcalina

La batteria alcalina può essere primaria o secondaria, ed è così chiamata perché ha un elettrolita alcalino di idrossido di potassio (KOH), con elettrodo negativo di zinco (Zn) e biossido di manganese positivo ($MnO_2$). Generalmente fornisce 1,5 volt.

Batteria Nichel-Cadmio (Ni-Cd)

La batteria al nichel-cadmio è una batteria a secco secondaria il cui elettrolita è idrossido di potassio. L'elettrodo negativo è idrossido di nichel, mentre il positivo è ossido di cadmio.

• La tensione di lavoro, in condizioni normali, è di 1,25 volt.
• Ha un effetto memoria molto elevato.
• Le Ni-Cd sono prodotte in una vasta gamma di dimensioni e forme (rettangolare, cilindrica "a bottone").
• Durante la carica e la scarica, non c'è praticamente alcun cambiamento nella densità dell'elettrolita. Agisce solo come tramite per il trasferimento degli ioni idrossido da un elettrodo all'altro.
• È l'unica batteria a secco che è un vero accumulatore con una reazione chimica reversibile, che può essere ricaricata molte volte.
• Offre un servizio affidabile in condizioni estreme, shock, vibrazioni e temperature.

Batteria Edison (Nichel-Ferro)

Si tratta di una cella secondaria alcalina nichel-ferro, con elettrolita di idrossido di potassio (KOH). È molto più leggera e più resistente delle celle al piombo-acido. Funziona normalmente a 1,4 volt. Ha una piastra positiva di idrato di nichel e nichel ($Ni_2O_2$) e una piastra negativa di ferro (Fe).

Batteria Ni-MH (Nichel-Metallo Idruro)

Utilizza un elettrodo positivo o anodo di idrossido di nichel e un catodo o elettrodo negativo di una lega di idruro di metallo. Tali batterie sono meno colpite dal cosiddetto effetto memoria. Il freddo estremo riduce drasticamente la potenza efficace che sono in grado di fornire. La cella fornisce 1,2 volt e ha un effetto memoria insufficiente.

Batteria agli Ioni di Litio (Li-ion)

La batteria agli ioni di litio (Li-ion) utilizza un anodo di grafite e un catodo di ossido di cobalto, trifilina ($LiFePO_4$) o ossido di manganese. Fornisce 3,2 volt.

• Non supporta scariche complete o carichi eccessivi.
• Soffre molto poco l'effetto memoria, quindi può essere caricata senza essere completamente scarica, senza perdita di vita utile.
• Non supporta bene i cambiamenti di temperatura.

Relazioni Elettriche e Capacità delle Batterie

Relazioni nella Tensione di Uscita delle Batterie

Un fatto interessante riguardo alla Forza Elettromotrice (FEM) generata dalle batterie è che la tensione di uscita di una batteria dipende dal tipo di materiali utilizzati in essa, non dalle sue dimensioni.

Per esempio, tutte le batterie zinco-carbone con elettrolita di cloruro di ammonio danno la stessa tensione di alimentazione di 1,6 volt quando sono nuove. La differenza tra loro è dovuta alla corrente di uscita che possono fornire. Lo stesso vale per le batterie al piombo. Una piccola unità di esse ha piattini che danno una tensione di uscita di 2,2 volt, la stessa di una grande con un elevato numero di piatti.

Relazioni nella Corrente di Uscita e Capacità

Abbiamo visto che se un filo è collegato tra i terminali positivo e negativo di una batteria, la corrente scorre attraverso di esso. Il fatto che gli elettroni lascino la cella e penetrino nel filo è la base per considerare la batteria (o pila) come fonte di alimentazione. Finché continua l'azione chimica, c'è la fornitura di elettroni. La potenza di una batteria nel fornire elettroni in una certa relazione si chiama capacità di corrente. Il numero massimo di elettroni forniti dipende dalla quantità di materiale attivo negli elettrodi, e lo stesso accade con l'elettrolita. Questo spiega perché una batteria di grandi dimensioni offre più potenza di una piccola.

La Capacità in Ampere-Ora (Ah)

Quando si esprime la capacità di una batteria (pratica molto comune negli accumulatori), essa è costituita dal numero massimo di ampere che può erogare in un'ora. Così, una batteria di 20 ampere-ora (Ah) è una batteria in grado di fornire una corrente di 20 A per un'ora, dopo di che comincia a scaricarsi.

Se la corrente di scarica è inferiore al valore della piena capacità, la batteria può fornire la corrente per più di un'ora. Ad esempio, una batteria da 20 Ah è in grado di fornire 1 A per 20 ore. Allo stesso modo, la capacità di corrente sarà proporzionalmente più grande per un tempo minore, per esempio, 100 A per 0,2 ore, o per 12 minuti. Il prodotto della corrente in ampere e il tempo in ore non può superare il rapporto ampere-ora di una data pila.

In definitiva, l'ampere-ora è una base per correlare le batterie, ed è usata come misura della durata della batteria prima di ricaricarla nuovamente.

Tensione tra i Terminali di una Batteria

Una batteria è un generatore chimico di tensione continua e tutti i componenti interni hanno una resistenza al flusso di corrente. In una cella chimica, la resistenza dell'elettrolita tra gli elettrodi è la maggiore resistenza interna della cella.

Quando la batteria è carica (a circuito aperto), la tensione o differenza di potenziale ai suoi capi è la tensione massima generata. Questa è chiamata tensione a circuito aperto o tensione a vuoto o tensione senza carico. Ma se si chiude un circuito dalla batteria attraverso i suoi terminali, la batteria fornisce corrente (I) che circola anche all'interno della batteria; i suoi componenti devono attraversare e superare la resistenza interna ($R_i$). Così, la tensione (V) ai suoi terminali è diminuita dalla caduta di potenziale (o caduta di tensione) che si verifica nella sua resistenza interna. Pertanto, la tensione ai morsetti di una batteria o di un generatore è uguale alla sua FEM (E) a circuito aperto (che è il massimo che può fornire) meno la caduta di tensione attraverso la sua resistenza interna ($I imes R_i$).

Collegamento delle Batterie

Collegamento in Serie per Aumentare la Tensione

In determinate circostanze, la tensione prodotta da una singola batteria è sufficiente, ma a volte è necessaria più tensione. Ciò può essere ottenuto collegando diverse celle (primarie o secondarie) in serie in numero tale da ottenere la tensione desiderata.

• La FEM (E) di una combinazione serie di batterie è la somma delle FEM delle singole batterie.
• La resistenza interna è la somma della resistenza ($R_i$) di ogni pila.
• La tensione totale di un insieme di celle collegate in serie è la somma delle tensioni di ogni cella.

Quando le batterie sono collegate in serie, un terminale positivo è collegato al terminale negativo dell'altro. In questo modo, si sommano tutti i potenziali individuali. Non è necessario che le batterie ricaricabili abbiano la stessa tensione; possono essere collegate in serie batterie di qualsiasi tensione, ma devono avere la stessa capacità di corrente.

Collegamento in Parallelo per Aumentare la Capacità

Le batterie possono essere costituite anche collegando le celle in parallelo, ma questo può essere fatto solo con batterie che hanno la stessa tensione di uscita. Lo scopo di un collegamento in parallelo è quello di aumentare la capacità di corrente, perché il collegamento in parallelo è equivalente a un aumento delle dimensioni degli elettrodi e della quantità di elettrolita, il che significa aumentare la corrente disponibile.

• Il collegamento di batterie in parallelo non cambia la tensione. La tensione finale delle batterie in parallelo è uguale a quella di una singola cella.
• Se si collegano in parallelo batterie con tensioni disuguali, si verificherebbe un flusso di corrente tra le batterie a causa delle differenze di potenziale, consumando energia elettrica.