Batteria (chimica)

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Simbolo elettrico della batteria

Batteria

Una batteria elettrica (o meglio un pacco batteria) è un dispositivo costituito da diversi elementi collegati in serie in modo che la tensione dei singoli elementi si sommi.

Gli elementi, tutti del medesimo tipo, possono essere primari o secondari.
Si definisce primario o "pila" un elemento non ricaricabile, secondario o "accumulatore" un elemento ricaricabile.

Sono esempi di batterie ricaricabili l'accumulatore dell'automobile e del telefono cellulare.

Sono elementi non ricaricabili, ossia primari, tutte le pile alcaline. I formati più comuni disponibili in commercio sono: AA-stilo, AAA-ministilo, AAAA-microstilo, C-mezzatorcia, D-torcia. Le pile da 9V sono in realtà batterie di 6 elementi da 1,5 V. Il formato 4,5V non è ormai più utilizzato.

La capacità delle batterie, ovvero la quantità di carica elettrica che può essere immagazzinata, è comunemente espressa in Ampere-ora (Ah), dove 1 Ah equivale a 3600 Coulomb. Per ottenere l'energia in wattora è necessario moltiplicare la capacità in Ah per la tensione nominale.

Una batteria da 1 Ah può erogare una corrente di 0,1 ampere per dieci ore prima di scaricarsi. In realtà la capacità reale è molto dipendente dal tasso di scaricamento, decrescendo con l'aumentare della corrente richiesta. Per questo una batteria da 1 Ah solitamente non riesce a fornire 1 ampere per un'ora.

Di solito la capacità è intesa come il prodotto tra la corrente erogata, misurata nell'arco di 10 o 20 ore, e il tempo.

Batterie in commercio

La capacità è misurata sperimentalmente sottoponendo la batteria ad un ritmo di scarica standard, solitamente con una corrente che faccia scaricare la batteria in venti ore ovvero una corrente pari alla capacità della batteria diviso venti ore.

Ci sono in commercio dei tester di capacità delle batterie primarie (non ricaricabili) e secondarie (ricaricabili).

Quando circola corrente in un elemento (sia in fase di scarica, sia in fase di ricarica -per gli elementi secondari-) si producono reazioni chimiche esotermiche, ossia con generazione di calore.
Una scarica (o carica) troppo violenta può provocare l'esplosione dell'elemento e per questo motivo è importante fare attenzione a non mettere in cortocircuito i due poli elettrici della batteria.

Se si cerca di ricaricare un elemento non ricaricabile, si ottiene una produzione di idrogeno e ossigeno ai due poli delle singole celle, e se la produzione dei due gas è più alta della loro velocità di fuga, la batteria può esplodere.

Per la ricarica casalinga di elementi è preferibile utilizzare caricabatterie che dispongano di protezioni, quali:

riconoscimento di elementi primari (es. pile alcaline), impedendone automaticamente la carica
protezione contro lo scambio di polarità
protezione verso surriscaldamento dell'elemento in carica
limitazione della durata massima della ricarica
individuazione automatica della capacità della batteria ricaricabile (e conseguente adattamento della corrente di ricarica)

[modifica] Batterie ricaricabili

Per approfondire, vedi la voce Batteria ricaricabile.

Conosciute anche come batterie secondarie o accumulatori.

Batteria piombo-acido - Comunemente usata negli autoveicoli, sistemi d'allarme e sistemi anti black-out. Di solito impiegata come "A" o batteria "umida" in apparecchiature radio a valvola. Il maggior vantaggio di quella chimica è il suo basso costo: una batteria grande (es. 70 Ah) è relativamente economica, se confrontata alle altre chimiche. Comunque, questa batteria chimica ha meno intensità d'energia delle altre batterie chimiche conosciute oggi (vedi sotto).
- Absorbent glass mat (AGM)
- Batteria gel
Batteria agli ioni di litio - Una pila chimica relativamente moderna che offre una densità di carica molto alta (una piccola batteria Li-ion conterrà molta energia elettrochimica) e che non soffre di alcun effetto memoria. Sono largamente utilizzate in sistemi laptop, macchine fotografiche digitali, alcuni lettori mp3 (come l'iPod) e la maggior parte dei dispositivi digitali portatili.
Batteria agli ioni di litio-polimero - Presenta proprietà simili alla pila Li-ione, ma una densità di carica leggermente inferiore. Può essere facilmente adattata alle caratteristiche di oggetti particolari, come le batterie ultra sottili (1 mm di spessore) degli ultimi PDA. Se costruita appositamente è capace di erogare molta più energia delle batterie Li-ion, ed è quindi usata spesso negli aeromodelli elettrici.
Batteria sodio-zolfo
Batterie nichel-ferro
Batteria nichel-metallo idruro (NiMH)
Batterie nichel-cadmio (Ni-Cd) - Impiegate in molte applicazioni domestiche, stanno oggi scomparendo in quanto surclassate dalle pile Li-ion e NiMH. Con questa pila si possono ottenere i più lunghi cicli di ricarica (oltre 1500) ma a discapito della densità di carica, rispetto alle più attuali batterie. Le celle al Ni-Cd che utilizzano tecnologia antiquata risentono di "effetto memoria", anche se in quelle più moderne tale effetto è stato notevolmente ridotto. Inoltre il cadmio è un metallo pesante tossico.
Batteria sodio-metallo cloruro
Batteria nichel-zinco
Batteria a sale fuso
Batteria argento-zinco - Fu il dispositivo a più alta densità di energia (precedentemente allo sviluppo delle tecnologie al litio) e il suo utilizzo primario riguardò l'ambito aeronautico. L'aumento mondiale dei prezzi dell'argento rese l'utilizzo di questa batteria non più conveniente. Fu utilizzata per le ultime missioni lunari Apollo.

[modifica] Pile fai-da-te

Quasi ogni liquido o materiale umido che possieda abbastanza specie ioniche da essere elettricamente conduttivo può servire da elettrolita per una pila. Come originale dimostrazione scientifica, è possibile inserire due elettrodi fatti di metalli differenti in un limone, una patata, un bicchiere contenente una bibita, ecc. e generare piccole quantità di corrente elettrica. Le pile "casalinghe" di questo tipo non sono di utilità pratica perché producono meno corrente e costano assai più per unità d'energia prodotta rispetto alle batterie commerciali, in relazione alla necessità di dovere rimpiazzare frequentemente il frutto o il vegetale adoperato. A livello didattico, una classica pila fai-da-te può essere costituita da un limone nel quale vengono piantate due barrette, una di rame ed una di zinco. Si ottiene così una differenza di potenzale di circa 1V, ed una capacità di corrente appena sufficiente per far illuminare un LED a basso consumo o alimentare un orologio a cristalli liquidi.

Le batterie al piombo-acido possono essere facilmente prodotte in casa, ma un noioso ciclo di carica/scarica è necessario per "formare" le piastre. Questo è un processo che porta alla formazione di solfato di piombo sulle piastre, e durante la carica questo viene convertito in diossido di piombo (piastra positiva) e piombo puro (piastra negativa). La ripetizione di questo processo porta come risultato una superficie microscopicamente ruvida, con una ben più grande superficie esposta. In questo modo aumenta la corrente che la batteria può erogare. Per un esempio, vedi [1].

[modifica] Batterie per trazione

Le batterie per trazione (batterie secondarie o accumulatori) sono studiate per fornire potenza per muovere un veicolo, come un'automobile elettrica o un motore per rimorchio. Una maggiore considerazione costruttiva riguarda il rapporto potenza/peso, dato che il veicolo deve trasportare la batteria. Mentre le convenzionali batterie piombo-acido contengono elettrolita liquido, nelle batterie per trazione l'elettrolita è spesso gelificato per prevenire versamenti. L'elettrolita può anche essere imbevuto in lana di vetro avvolta in modo tale che le celle abbiano un'area circolare della sezione trasversale (batterie Absorbed glass mat).

Le tipologie di batterie utilizzate nei veicoli elettrici possono così riassumersi:

Batterie convenzionali al piombo-acido con elettrolita liquido
Batterie AGM (Absorbed Glass Mat)
Batteria ZEBRA Na/NiCl₂ operante a 270°C e che richiede il raffreddamento nel caso di escursioni termiche
Batteria Ni/Zn

Le batterie al litio-ione stanno surclassando la tecnologia NiMh in questo settore mentre a causa del loro basso costo le batterie al piombo-acido mantengono il loro ruolo predominante.

[modifica] Batterie di flusso

Le batterie di flusso sono una classe speciale di batterie dove quantità addizionali di elettrolita sono conservate fuori dalla cella galvanica principale e vengono fatte circolare all'interno di essa tramite pompe o sfruttando la forza di gravità. Le batterie di flusso possono avere una capacità estremamente grande e sono usate in applicazioni navali, mentre stanno guadagnando popolarità nell'ambito di applicazioni riguardanti lo stoccaggio dell'energia.

Le batterie di flusso zinco-bromo e le batterie redox al vanadio sono tipici esempi di batterie di flusso commercialmente disponibili.

[modifica] Dimensioni comuni delle batterie

Batteria da 9 volt

Le batterie monouso e alcune batterie ricaricabili esistono in commercio in varie dimensioni standard, in modo tale che lo stesso tipo di batteria possa essere utilizzata per svariate applicazioni. Alcuni dei maggiori tipi sfruttati per dispositivi portatili includono le serie A (AA, AAA, AAAA), B, C, D, F, G, J, ed N, 3R12, 4R25 più altre varianti, PP3, PP9, pile a bottone, e le lanterne 996 e PC926.

[modifica] Comuni capacità delle batterie

Le informazioni riguardanti la capacità in Ah delle batterie ricaricabili sono normalmente facilmente disponibili, ma può essere molto più difficoltoso ricavare la capacità per le batterie primarie. A titolo di esempio, alcune capacità di batterie primarie Energizer sono presenti in [2] mentre in [3] sono presenti dei valori relativi ad alcune Duracell.

[modifica] Considerazioni ambientali

Sin dal loro primo sviluppo risalente a oltre 250 anni fa, le batterie sono rimaste tra le fonti di produzione di energia relativamente più costose e la loro produzione richiede il consumo di molte risorse di un certo valore e spesso implicano anche l'impiego di sostanze chimiche pericolose. Per questa ragione esiste una specifica rete di riciclaggio (per l'Italia è il consorzio COBAT) atta a recuperare dalle batterie usate parte dei materiali di maggiore tossicità e anche altri materiali di un certo valore. Le norme italiane prevedono che le batterie esauste siano considerate a tutti gli effetti dei riufiti pericolosi e che quindi l'intero ciclo di vita dello smaltimento sia tracciato da parte di chi genera il rifiuto e da chi lo smaltisce. Eventuali irregolarità sono penalmente perseguibili.

[modifica] Componenti e fattori elettrici

Le celle di cui si compone una batteria possono essere collegate in parallelo, in serie o in entrambe i modi. Una combinazione di celle in parallelo possiede lo stesso voltaggio di una singola cella ma è in grado di fornire una corrente maggiore ed eguale alla somma delle singole correnti di tutte le celle. Una combinazione in serie possiede la stessa corrente di una singola cella ma il valore del suo voltaggio corrisponde alla somma dei voltaggi di tutte le singole celle. Le batterie elettrochimiche più pratiche, come quelle da 9 V per le torce elettriche e le batterie da 12 V delle automobili, sono composte da diverse celle collegate in serie. I collegamenti in parallelo risentono del problema legato allo scaricarsi più velocemente di una cella rispetto a quella vicina: nel caso in cui ciò si verifichi la corrente circolerà dalla cella carica a quella scarica, sprecando in tal modo energia e rischiando il sovrariscaldamento. Persino peggiore è il caso in cui una cella diviene cortocircuitata a causa di difetti interni, con le celle vicine che saranno forzate a scaricare la loro corrente massima nella cella difettosa, provocando un sovrariscaldamento e una possibile esplosione. Le celle in parallelo sono perciò solitamente costituite da un circuito elettronico atto a proteggerle da questi problemi. In entrambe le tipologie in serie e in parallelo, l'energia totale di una batteria equivale alla somma delle energie immagazzinate in tutte le singole celle.

Un semplice modello circuitale di una batteria è una sorgente di tensione perfetta (cioè priva di resistenza interna) in serie con un resistore. La tensione erogata dalla sorgente di tensione non dipende dallo stato di carica, ma solo dalle caratteristiche chimiche della batteria. Quando una batteria "si consuma", è la sua resistenza interna a ad aumentare. Quando la batteria è collegata ad un carico (in dispositivo che "usa" la pila, per esempio una lampadina, o un motore elettrico) che ha una sua resistenza, la tensione applicata agli estremi del carico dipende dal rapporto tra la resistenza di carico e quella interna della batteria: quando la batteria è completamente carica la sua resistenza interna è bassa, per cui la tensione applicata ai capi del carico è quasi uguale a quella della sorgente di tensione. Mano a mano che la batteria si consuma e la sua resistenza interna cresce, aumenta anche la caduta di tensione ai capi della resistenza interna, con il risultato di ridurre la tensione disponibile per il carico e quindi la capacità della batteria di erogare potenza al carico.

[modifica] Voci correlate

Argomenti correlati all'energia
Batteria a super-ferro
Effetto memoria
Pila (chimica)

[modifica] Persone/inventori

[modifica] Argomenti elettrici correlati

Accumulatore al litio
Accumulatore al piombo
Batteria di flusso
Batteria locale
Cella elettrochimica
Corrente continua
Differenza di potenziale
Efficienza elettrica
Elettricità
Elettrochimica
Elettroplaccatura
Energia solare
Energia rinnovabile
Forza elettromotiva
Fornitura di potenza
Immagazzinamento dell'energia
Legge di Peukert
Pila atomica
Potenziale elettrochimico
Tensione di contatto
Veicolo elettrico

[modifica] Concetti di elettricità ed elettronica correlati

Batteria a succo di limone
Batteria ricaricabile
Capacitore elettrolitico
Circuiti in serie e parallelo
Cella galvanica
Cella secondaria
Elettrodo
Equazione di Nernst
Pila a combustibile
Pila a concentrazione
Sistema di accensione
Immagazzinamento energetico in superconduttore
Immagazzinamento energetico in volano
Jump start
Lanterna
Storaggio energetico in griglia

[modifica] Materiali chimici elettroattivi usati nella fabbricazione

[modifica] Invenzioni correlate

Batteria di Baghdad
Cronologia delle invenzioni
Deep-cycle
Lista degli inventori
Litio-polimero
Pila di Volta
Smart Battery (La batteria avverte il dispositivo quando sta per esaurirsi)

[modifica] Altro

Automobile elettrica
Automobile ibrida
Automobile ibrida gas-elettrica
Batteria CMOS
Batteria ricaricabile
Freno rigenerativo
Spreco energetico
Stanza delle batterie

[modifica] Altri progetti

Wikimedia Commons contiene file multimediali su Batteria (chimica)

[modifica] Collegamenti esterni

(EN) RadioShack Guide to Batteries
(EN) Quick Battery Guide For Robot Creators
(EN) Electrochemistry Encyclopedia NONRECHARGEABLE BATTERIES
(EN) Battery Glossary & Terminology
(EN) Battery Technologies - Directory page covering theory, research and development, and market devices that improve the trend toward clean, renewable energy. (FreeEnergyNews)
(EN) Battery Care Tips
(EN) The Microturbine, battery technology as "the Next Big Thing" by Fred Hapgood
(EN) Batteries in a Portable World - A Handbook on rechargeable batteries for non-engineers - Has a comprehensive FAQ section on rechargeable batteries
(EN) Battery Timeline - History of batteries, energy and related technologies
(EN) Mobile phone fuel cells coming in 2007 Infoworld July 13, 2005
(EN) "Battery Resources" of PESWiki, the community-built website dealing with alternative and renewable energy solutions
(EN) A Peukert Calculator spreadsheet
(EN) Practical battery knowledge
(EN) Energyorbit battery news
Cell chemistries (MPower). URL consultato il 3 Maggio.

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