LA PILA E LA BATTERIA

di IZ3GEF Giorgio

Le conosciamo veramente bene?

Cari amici un 73 cordiale a tutti, eccomi nuovamente a Voi per una breve narrazione sulla storia, i vari tipi, le tecniche costruttive e l'uso di un' invenzione che, oramai riempie sempre più il nostro quotidiano mondo tecnologico e cioè la pila o per meglio dire la batteria.

Volendo rendere quanto segue il più semplice possibile, ho volutamente tralasciato tutta quella parte abbastanza noiosa ed utile solo agli addetti ai lavori, relativa ai vari diagrammi di riferimento ed alle reazioni chimiche che permettono il funzionamento di ogni batteria.

STORIA

Sin da tempi remoti, l'uomo ha sempre cercato di ideare e realizzare invenzioni tali da permettergli di imbrigliare le forze della natura, che gli si manifestavano sotto forma di vento, fuoco, acqua ecc.

Fu fondamentale una volta catturata l'energia il fatto di poterla immagazzinare, per poi poterla usufruire solo quando necessario e quindi liberarla a richiesta.

Per quanto riguarda l'elettricità, questo fu possibile grazie all'invenzione della pila. E' superfluo ricordare che tale invenzione si deve al genio del nostro inventore Alessandro Volta che, riprendendo gli studi sugli esperimenti sostenuti da Galvani, giunse alla conclusione che non era il tessuto animale della rana a permettere la conduzione di elettricità, ma erano solo i metalli utili a questa funzione.

Nel 1800 portò a compimento la sua invenzione che era composta da una serie di dischi d'argento e di zinco sovrapposti ed isolati tra loro e da un ulteriore disco di cartone, quest'ultimo era stato imbevuto in precedenza di una soluzione acida. All'estremità della pila erano poi stati collegati dei fili elettrici tra i quali si verificavano delle scintille, se questi venivano posti in contatto tra loro.

Oltre ad altre importanti invenzioni fra le quali la scoperta del metano, ad Alessandro Volta si deve il nome ormai riconosciuto a livello internazionale dell'unità di misura della tensione e cioè il Volt, che serve per indicare il valore della differenza di potenziale elettrico tra due punti.

Chi ha qualche anno in più, hi, si ricorderà che nelle apparecchiature elettriche dei primi del novecento, si usava la denominazione di Volta e non Volt.

PRECISAZIONI

Prima di iniziare questa panoramica sulle batterie ritengo doveroso fare alcune importanti precisazioni. La parola pila nella lingua italiana ha per significato una serie di cose poste una sopra all'altra e per quanto riguarda il mondo dell'elettricità, risulta essere una serie di elementi assemblati e collegati elettricamente tra loro, in grado di produrre energia elettrica.

Ogni singolo elemento è in grado di fornire in uscita una tensione che a seconda dei materiali usati nella costruzione della pila stessa varia da 1,2 a 3 Volt a vuoto, cioè in assenza di carico.

Oggi è ormai d'uso comune chiamare impropriamente batteria e non pila, i generatori elettrici composti da un solo elemento in grado di fornire tensione a tutti quei piccoli elettrodomestici portatili e non che ci circondano.

Esistono due famiglie di pile o batterie:

NORMALI o per meglio dire ad esaurimento

RICARICABILI o più propriamente chiamate ACCUMULATORI

PILE NORMALI

La prerogativa di queste pile, è quella di fornire l'energia elettrica ad esaurimento appunto, in quanto una volta costruite, continueranno a funzionare sino a quando tra i materiali al loro interno non si esauriranno i processi chimici di interazione che permettono la produzione di energia.

Sono le più usate quotidianamente e servono per fornire alimentazione per esempio ai telecomandi tv, agli orologi da polso, alle torce elettriche ecc.

Le dimensioni e la capacità, in termini di energia fornita, variano a seconda delle dimensioni

e del loro uso che, come già detto, risulta essere finito nel tempo.

N.B. Queste pile non devono essere assolutamente ricaricate, in quanto esiste il pericolo di esplosione. Non vanno gettate nella normale spazzatura, perchè i materiali usati per la loro costruzione sono altamente inquinanti per l'ambiente e quindi vanno smaltite seguendo rigorosamente le normative vigenti. Non devono essere dimenticate all'interno degli apparecchi utilizzatori, in quanto possono rilasciare prodotti corrosivi che sono in grado di rovinare questi ultimi.

Come tutte le pile, se non vengono usate pur rimanendo nella loro confezione originale, dopo un certo tempo si scaricano, per evitare questo ed allungarne la vita, consiglio di riporle in un ambiente fresco a temperatura costante, il frigo di casa per esempio va benissimo.

Questi i vari tipi reperibili in commercio:

  Zinco – Carbone

Alcaline

Ossido d'argento

Litio

Mercurio

ZINCO – CARBONE

Sono state le prime ad essere prodotte. Costruttivamente sono fatte di un elettrodo centrale, composto da una pasta a base di carbone che è collegato al polo positivo, tale elettrodo è poi circondato da un composto di zinco. Vengono usate per alimentare torce elettriche, telecomandi, apparecchi radio ecc. Per queste pile ogni elemento fornisce una tensione a vuoto di 1,5 Volt, sotto carico la tensione scende a 1,4-1,3 Volt.

 ALCALINE

 Questo tipo di pila ha ormai soppiantato commercialmente quelle a zinco-carbone, la differenza sostanziale rispetto alla precedente, sta nell'avere delle prestazioni migliori come durata nel tempo, sono quindi preferibili per usi non continui, ma prolungati, anche se presentano il difetto che la tensione diminuisce in modo proporzionale alla quantità di energia fornita (scarica) ed inoltre risentono notevolmente nel rendimento quando lavorano a temperature che superano i 20°C .

Sono composte da biossido di manganese che costituisce la parte costruttiva riguardante gli elettrodi positivo e negativo e da una soluzione liquida (elettrolito) di idrossido di potassio e mercurio.

Anche queste pile forniscono per elemento una tensione a vuoto di 1,5 Volt, mentre sotto carico questa scende a 1,4-1,3 Volt.

Per le pile a zinco-carbone ed alcaline, questi sono i tipi che si trovano normalmente in vendita nei negozi:

Microstile con valori di tensione di 1,5V – 3V- 12V

Ministilo 1,5V

Stilo 1,5V

Mezza torcia 1,5V

Torcia 1,5V

Piatta 4,5V

Transistor 9V

OSSIDO D'ARGENTO MERCURIO LITIO

Sono normalmente del tipo a pastiglia o “bottone”, di piccole dimensioni sono quindi adatte principalmente ad alimentare orologi da polso, piccole sveglie, calcolatrici tascabili ecc.

Queste le caratteristiche e le principali differenze tra loro:

Ossido d'argento: tensione per elemento 1,6 Volt a vuoto 1,55 Volt sotto carico

Mercurio: tensione per elemento 1,35 Volt a vuoto 1,3 Volt sotto carico

Come per le pile ad ossido d'argento, la caratteristica principale risulta essere una buona stabilità del valore della tensione che sotto carico si abbassa di poco come vedesi da quanto sopra riportato.

Litio: tensione per elemento 3 Volt a vuoto 2,8Volt sotto carico

Il vantaggio di questo tipo di pila sta nel fatto di poter lavorare anche in condizioni di temperature ambiente critiche, senza per questo risentirne nel rendimento, sono in grado di lavorare con un delta che varia da – 40°C a + 70°C .

PILE RICARICABILI

Più propriamente chiamate accumulatori, forniscono energia solo dopo essere state caricate e sono in grado di rilasciarla a nostro piacimento più volte, per un ciclo vitale, carica e scarica, che dipende esclusivamente dai materiali usati per la loro costruzione.

La famiglia di queste batterie si compone di diversi tipi e gli usi che se ne fanno sono tra i più svariati, dall'alimentazione di quanto già citato in precedenza, a quella di apparecchi di piccola e media potenza, quali telefoni cellulari, macchine fotografiche digitali, video camere ecc. o per alimentare apparecchiature di potenza più elevata, quali per esempio i nostri RTX. Infine vengono anche usate per grosse potenze, come fornire l'energia di soccorso in caso di mancanza rete a sistemi di tele-sorveglianza, gruppi elettrogeni, centrali telefoniche e quant'altro.

I tipi più comuni sono i seguenti:

  NICHEL CADMIO

IONI DI LITIO

IODURO DI FERRO

ERMETICI o RICOMBINAZIONE * Per questi tipi di batterie derivate da studi evolutivi

ELETTROLITO ASSORBITO * sui materiali cercherò di fare una breve panoramica

ELETTROLITO GELATINOSO * relativa ai loro usi, pregi e difetti

AL PIOMBO

PRECISAZIONI

Prima di iniziare la trattazione sui vari tipi di accumulatori è importante fornire alcune precisazioni in qualità di terminologia, caratteristiche tecniche e consigli utili per la loro corretta manutenzione.

Auto - scarica: è il fenomeno chimico che si presenta in tutti i tipi di pile ed accumulatori quando quest'ultimi non vengono utilizzati, ciò provoca nel tempo un calo della resa energetica, che può divenire anche totale e portare quindi al deterioramento dell'accumulatore stesso.

Scarica : viene normalmente misurata tramite due parametri: la tensione e la densità. I costruttori eseguono queste misure riportando su diagrammi i valori relativi ad una scarica sempre di 10 ore.

Solfatazione : è il fenomeno chimico che avviene all'interno di ogni accumulatore ad elettrolito liquido al piombo. Tale fenomeno è caratterizzato dal depositarsi di solfato di piombo sulla piastra positiva della batteria, il materiale depositato si comporta come una pellicola isolante, non permettendo più così il corretto funzionamento dell'accumulatore.

Tensione di mantenimento o batteria in tampone : è la tensione rilevata alla temperatura di 20°C che si deve fornire costantemente nel tempo all'accumulatore, affinché non avvenga il processo di auto-scarica. Viene normalmente calcolata e fornita dal costruttore ed indicata nelle specifiche relative.

Tensione di carica : è la tensione necessaria nel tempo per riportare alla massima efficienza l'accumulatore. Il tempo di carica è influenzato naturalmente dalla quantità di corrente fornita, dalla densità presente nell'elettrolito e dalla temperatura ambiente.

Tensione di carica rapida : è la tensione che serve per riportare in breve tempo l'accumulatore al massimo rendimento. Serve molto spesso per aiutare a recuperare una batteria che si sta solfatando

e per avere la massima resa, normalmente va effettuata con temperature si esercizio che vanno dai 15° ai 25°C .

Densità e relativa misura : per densità si intende la concentrazione di acido solforico misurata in percentuale Kg/litro nella miscela elettrolito. Per eseguire la misura viene adoperato uno strumento chiamato densimetro. Tale misura è riferita sempre ad una temperatura ambiente di 25°C normalmente il valore vari da 1.21 ad 1,26 g/cm3.

Resistenza interna: è la resistenza che provoca una caduta di tensione quando all'interno della batteria circola una corrente nella fase di carica o scarica e dipende essenzialmente dai materiali che compongono l'accumulatore e dalla costruzione dello stesso nei collegamenti fra le piastre.

Capacità: è la quantità di corrente che per un certo tempo può essere fornita dall'accumulatore e viene misurata in Ampère/ora. Spesso il costruttore indica anche la capacità istantanea (allo spunto) sempre misurata in A/ora.

Rabbocco: consiste nell'aggiungere acqua distillata alla miscela di elettrolito, questa operazione va eseguita dopo un'ispezione visiva del livello dello stesso. Le piastre devono normalmente essere coperte dal liquido per un massimo di 2cm. Dopo ogni rabbocco è necessario caricare la batteria per riportare alla normalità il valore della densità dell'elettrolito.

ATTENZIONE !!!!!!!! Durante tutti i processi di carica, da quella di mantenimento a quella rapida, per tutti i tipi di accumulatori ad elettrolito liquido come conseguenza per reazione chimica viene prodotta una miscela di gas altamente infiammabile, perché a base di idrogeno ed un innalzamento della temperatura interna all'accumulatore.

E' QUINDI IMPORTANTISSIMO SVOLGERE QUESTE OPERAZIONI IN AMBIENTI ADEGUATAMENTE VENTILATI.

ATTENZIONE !!!!!!! Non esagerare nell'aggiunta di acqua distillata in fase di rabbocco e non caricare per tempi troppo lunghi la batteria, in quanto, una fuoriuscita di elettrolito composto da acqua distillata ed acido solforico risulta estremamente pericolosa per voi stessi e per l'ambiente.

Tutte le operazioni eseguite su accumulatori con elettrolito liquido sia a vasi chiusi che aperti, devono essere eseguite usando i materiali antinfortunistici.

ACCUMULATORI AL NICHEL CADMIO

Sono le pile ricaricabili più diffuse che hanno ormai hanno sostituito negli usi prolungati le normali pile zinco carbone e quelle alcaline. Sono di forma e dimensioni svariate, proprio perché, vanno a coprire una vasta nicchia d'uso. Hanno il vantaggio di essere molto leggere, di poter essere usate più volte e quindi risultano alla fine anche economiche.

Nelle caratteristiche fornite dal costruttore vengono citati: il ciclo vitale sotto forma del quantitativo di cariche e scariche possibili, che di solito si aggira intorno a 500, pari ad una durata nel tempo di circa 3 anni e la corrente fornita in mA/ora od Ampère/ora.

Le batterie al nichel cadmio forniscono una tensione per elemento pari a 1,2Volt a vuoto che normalmente sotto carico scende al valore di 1,1Volt. Il costruttore consiglia di caricarle con una corrente che deve essere pari ad 1/10 di quella erogabile.

La corrente erogata da queste batterie varia a seconda dei modelli, da pochi mA, a tipi che raggiungono dimensioni simili a quelle usate nelle normali autovetture per la messa in moto del motore, in grado di fornire in uscita fino a 30-40 Ampère/ora.

Purtroppo presentano una caratteristica negativa che viene denominata effetto memoria, ciò consiste nel fatto che la batteria per poter fornire il massimo rendimento, deve sempre essere scaricata completamente, altrimenti la stessa, fornirà in uscita un'energia pari solo all'ultima carica ricevuta.

IONI DI LITIO e IODURO DI FERRO

Sono dei tipi di batterie tecnologicamente abbastanza recenti, in commercio se ne trovano di diversi tipi e formati, vengono usate di solito per alimentare piccoli apparati, orologi,, foto-camere ecc. Hanno le stesse caratteristiche di leggerezza di quelle al nichel cadmio ed in più il vantaggio di lavorare senza problemi a basse ed alte temperature.

Non risentono, cosa molto importante, dell'effetto memoria e possono essere quindi ricaricate senza problemi di rendimento anche dopo essere state usate solo per brevi periodi. Il tempo di vita medio si aggira sui 3 anni .

La tensione disponibile per questi accumulatori varia a seconda del loro impiego e normalmente va da 3 a 12Volt, mentre per la corrente erogata si varia da 300ma/ora a 1-2 Ampère/ora max..

ERMETICI a RICOMBINAZIONE ad ELETTROLITO ASSORBITO e GELATINOSO

 Tutti questi tipi di accumulatori sono caratterizzati da un denominatore comune e cioè un contenitore ermetico, all'interno del quale usando materiali diversi viene assemblata la batteria. Questa tecnologia costruttiva presenta il vantaggio di non dover aggiungere elettrolito liquido come in certi tipi di accumulatori, in particolare quelli al piombo e di fabbricare una batteria esente da manomissioni e teoricamente molto longeva.

In realtà durante la fase di carica, le reazioni chimiche producono, come già detto, un innalzamento della temperatura interna del contenitore, che ne provoca a lungo andare un deterioramento, inoltre, viene anche prodotta una miscela di gas, che devono essere espulsi. Sulla parte superiore della batteria vengono montate per questo delle valvole costruite in modo da lasciare uscire il gas che si forma durante la carica e che fuoriesce per pressione, senza però permettere l'ingresso dell'aria esterna. La miscela che fuoriesce fa comunque evaporare anche una minima parte di elettrolito, andando così nel tempo ad esaurire la batteria. Questo tipo di accumulatori è sensibile nel rendimento alla variazione della temperatura di esercizio ed inoltre essendo ermetici a parità di capacità, necessitano di una corrente di mantenimento più alta rispetto a quelli tradizionali ad elettrolito liquido in vaso aperto. La maggiore corrente è necessaria alla ricombinazione degli elementi chimici, mentre nelle batterie tradizionali viene utilizzata quasi tutta nell'elettrolisi dell'acqua. Le principali caratteristiche tecniche per questi tipi di accumulatori sono le seguenti:

Tensione di mantenimento: 2,27Volt ermetici a ricombinazione ed elettrolito assorbito

temperatura a 20°C 2,23Volt con elettrolito gelatinoso

AL PIOMBO

E' l'accumulatore per eccellenza con durata teoricamente infinita e miglior resa. Batteria per medie e grosse potenze più usata in assoluto, ne esistono due tipi, quella a vaso ermetico, sul coperchio della quale sono montati dei tappi/valvole atti a poter permettere l'ispezione del livello dell'elettrolito, l'eventuale rabbocco e la misura del valore della densità. Il secondo tipo invece è essenzialmente usato per poter fornire grosse correnti, è quindi di grande capacità e normalmente è a vaso aperto e composto da elementi singoli.

I valori di tensione per questo tipo di accumulatore sono i seguenti:

tensione nominale per elemento 2,2 Volt

tensione di mantenimento 2,22 Volt

tensione di carica 2,24 Volt

tensione di carica rapida 2.27 Volt

La corrente fornita in uscita varia a seconda del tipo di accumulatore da poche decine di ampère/ora ad alcune migliaia per quelle di grossa capacità.

La soluzione di elettrolito usata in queste batterie è acida e precisamente si compone si una quantità pari ad 1/3 di acido solforico e 2/3 di acqua distillata.

N.B. in una batteria già formata e cioè pronta all'uso se ad una ispezione visiva il livello dell'elettrolito risulta essere scarso, deve essere eseguito il rabbocco dello stesso solo ed esclusivamente con acqua distillata e mai con acido.

La piastra relativa all'elettrodo positivo è composta da ossido di piombo PbO2, mentre quella negativa è costituita da piombo puro Pb. L'elettrolito usato in questi accumulatori si può trovare:

allo stato libero , in questo caso le piastre sono immerse in una soluzione di acqua distillata ed acido solforico come già indicato in precedenza.

Imbevuto in particolari setti microporosi (accumulatori ad elettrolito assorbito)

EVOLUZIONE COSTRUTTIVA

Durante gli anni gli elettrodi degli accumulatori al piombo hanno subito una certa evoluzione, riporto di seguito le fasi più salienti:

prima realizzazione nel 1854 che si deve al tedesco Josef Sinstenden

nel 1859 il francese Plantè migliorò l'idea tedesca aumentando la superficie delle piastre dotando le stesse di una struttura a lamelle.

Pochi anni dopo Henry Tudor migliorò ulteriormente l'idea del francese ed avviò la produzione degli accumulatori al Pb su scala industriale.

All'inizio del novecento negli USA venne inventata e sviluppata la piastra a tubetti che prese largamente piede in Europa dopo gli anni ‘50

Sono poi stati inseriti dei materiali e precisamente delle leghe, per aumentare le prestazioni dell'accumulatore ed anche la resistenza meccanica delle piastre, è importante ricordare infatti che durante la fase di carica all'interno del vaso si sviluppa energia termica, che potrebbe modificare l'assetto delle piastre stesse.

Le leghe normalmente usate sono:

piombo-antimonio con aggiunta di selenio

vantaggi maggiore resistenza meccanica delle piastre e stabilizzazione della capacità

svantaggi favorisce una maggiore elettrolisi dell'acqua e quindi un notevole consumo della stessa (rabbocchi più frequenti).

piombo–calcio con aggiunta sempre di antimonio

vantaggi maggiore resistenza meccanica delle piastre e minor elettrolisi e quindi poco consumo di acqua distillata.

svantaggi aumento della corrente di autoscarica e di conseguenza un aumento della corrente di mantenimento

REAZIONII CHIMICHE

Il funzionamento di qualsiasi batteria è dovuto a certe reazioni chimiche che si svolgono agli elettrodi che cercherò di spiegare di seguito. Quando l'accumulatore si trova in scarica e quindi sta fornendo energia ad un carico, il piombo ed il biossido di piombo si uniscono con gli ioni solfato per diventare solfato di piombo PbSO4. Con il procedere della scarica si producono altri due fenomeni:

si consumano ioni SO4 e quindi la soluzione tende a diminuire di densità ed a diventare acqua

si forma solfato di piombo PbSO4 su entrambe le piastre negativa e positiva e quindi queste tendono a diventare dello stesso materiale.

Come conseguenza anche il valore della tensione diminuirà e la resistenza interna dell'elettrolito aumenterà sino alla scarica completa della batteria.

Dato che il valore della tensione tende a 0 (zero) molto lentamente sino a precipitare bruscamente solo a scarica avvenuta, il miglior sistema per controllare l'efficienza (carica) di un accumulatore è quello di misurarne la densità.