Le batterie

Materie:	Altro
Categoria:	Chimica
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Data:	14.11.2005
Numero di pagine:	5
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Definizione
La pila è una sorgente di corrente elettrica continua che viene ottenuta a spese dell'energia chimica della sua materia attiva . La trasformazione dell'energia chimica in energia elettrica avviene quando i due terminali positivo e negativo della pila vengono collegati fra loro dal circuito elettrico utilizzatore.
Struttura e componenti
Nella sua struttura più semplice una pila è composta da un solo elemento voltaico, formato essenzialmente da tre componenti:
• i due elettrodi (o "poli") uno positivo, denominato "catodo", l'altro negativo, denominato "anodo"),
• l'elettrolito.
Altri componenti delle pile sono i "collettori metallici", che convogliano corrente elettrica da e verso gli elettrodi, i "terminali" o "morsetti" degli stessi elettrodi, per la connessione al circuito esterno, i "separatori", che evitano il rischio di contatto (e conseguente cortocircuito) fra l'elettrodo positivo e quello negativo all'interno dell'elemento.
La tensione generata fra i terminali (positivo e negativo) dei due elettrodi, è dovuta alle reazioni chimiche che avvengono fra gli strati superficiali degli elettrodi e l'elettrolito.
Per ottenere una tensione maggiore di quella che potrebbe essere fornita da un solo elemento voltaico, si ricorre al collegamento in serie di più elementi. Ad esempio una comune pila alcalina di 9 V è formata da sei elementi voltaici in serie, ciascuno di 1,5 V. Le pile formate da più elementi voltaici sono chiamate talvolta anche "batterie".
Se fra i due terminali della pila viene posto un circuito utilizzatore (rappresentato nella figura da una lampadina), esso viene attraversato da una corrente elettrica continua.
In realtà la corrente non è formata da cariche elettriche positive che passano dal terminale positivo a quello negativo della pila, ma da un flusso di elettroni; questi hanno carica negativa e attraversano il circuito utilizzatore in senso opposto a quello della corrente, sotto l'azione congiunta dell'elettrodo negativo, che li "inietta" nel circuito e dell'elettrodo positivo, che li "aspira" (conduzione elettronica).
Il flusso degli elettroni attraverso il circuito esterno è sostenuto da un'equivalente migrazione, attraverso l'elettrolito, di ioni generati dalle reazioni chimiche che hanno luogo nella materia attiva della pila; questi ioni hanno energia chimica sufficiente per assorbire elettroni dall'elettrodo positivo e/o cedere elettroni all'elettrodo negativo, vincendo la repulsione elettrica (conduzione ionica).
La grande maggioranza delle pile attualmente in commercio è del tipo cosiddetto "a secco"; in queste pile gli elettrodi non sono immersi in una soluzione, ma in un supporto solido inerte impregnato di elettrolito liquido. (In questo modo si consente la migrazione degli ioni, senza incorrere nelle difficoltà pratiche connesse con l'uso di un elettrolito liquido).
I parametri delle pile
I principali parametri che determinano le prestazioni di una pila sono la tensione nominale, la tensione di lavoro, la capacità, la durata di scarica, la potenza, la durata di vita in servizio, la durata di conservazione a magazzino, la resistenza interna.
La tensione nominale è la tensione specificata, presente a circuito aperto fra i due terminali di una pila. Essa dipende, oltre che dal sistema elettrochimico utilizzato anche dal numero di elementi voltaici collegati in serie.
La tensione di lavoro è la tensione media fra i due terminali della pila quando è inserito fra di essi un circuito utilizzatore.
La capacità è la carica elettrica che una pila può erogare in condizioni specificate; generalmente essa viene espressa in ampere-ora (Ah). In qualche caso sono usate anche le capacità specifiche, cioè la capacità per unità di massa (Ah/g) e la capacità per unità di volume (Ah/cm3).
La durata di scarica è la durata del servizio utile di una pila in condizioni specificate e viene generalmente espressa in ore (h). Essa può essere anche espressa in wattora (Wh) o in ampere-ora (Ah), se si considera l'energia elettrica, o rispettivamente la carica elettrica, erogabili al circuito utilizzatore (o durante una scarica parziale - ad esempio la scarica giornaliera che alimenta un apparecchio radio - o durante l'intera vita utile della pila).
La potenza di una pila (data dal prodotto della tensione fra i due terminali per l'intensità della corrente erogata) viene generalmente indicata, per semplicità, in ampere (A), invece che in watt (W). Dato che la tensione nominale (non molto diversa dalla tensione di lavoro) è sempre specificata sull'involucro della pila, il valore della corrente, in ampere o più spesso in milliampere, può dare un'idea della potenza in watt (essendo legato alla potenza da un rapporto fisso).
La resistenza elettrica interna di una pila varia durante la sua vita utile; essa inoltre diminuisce al crescere della corrente che l'attraversa. Se si considerano anche gli effetti capacitivi, si parla di impedenza interna.
La durata di conservazione a magazzino è il tempo di immagazzinamento (in condizioni specificate) dopo il quale la pila è ancora in grado di fornire le prestazioni specificate.
Tipi di pile
Le pile zinco-carbone.la pila zinco-carbone è tuttora in commercio ed è largamente usata. L'elettrodo negativo è formato da una capsula di zinco al cui interno si trova un'asticciola di carbone (elettrodo positivo) immersa in una massa di carbone e biossido di manganese impregnata con una soluzione acquosa di cloruro di ammonio (elettrolito).
La pila zinco-cloruro. Questa pila è basata sulla stessa tecnologia della pila zinco-carbone, ma utilizza come elettrolito una soluzione acquosa di cloruro di zinco, meno aggressivo del cloruro di ammonio nei confronti dello zinco.
Le pile alcaline.le pile alcaline utilizzano anch'esse zinco e biossido di manganese, come le pile zinco-carbone, ma i due elettrodi hanno struttura porosa, e l'elettrolito è un composto alcalino (idrossido di potassio). Queste modifiche hanno consentito di triplicare la durata di scarica rispetto alle pile zinco-carbone.Per esigenze ecologiche, in queste pile è stato prima ridotto e poi praticamente eliminato (1994) il contenuto di mercurio che, nelle prime versioni, era introdotto per migliorare la conservazione della carica.
Le pile zinco-aria. la pila zinco-aria utilizza l'ossigeno dell'aria in prossimità del catodo di carbone poroso immerso in elettrolito alcalino. A causa della lenta diffusione dell'ossigeno, la potenza di queste pile è bassa. Esse sono adatte ad applicazioni con assorbimento di corrente non superiore a 5 - 10 mA.
La pila è contenuta in una capsula di metallo, che forma il terminale positivo, mentre la materia dell'anodo occupa la maggior parte del volume disponibile. Nella capsula sono presenti uno o più fori per consentire all'aria di penetrare all'interno e accedere al catodo.
Le pile zinco-aria trovano applicazione, ad esempio, negli impianti di telecomunicazioni non collegati alla rete elettrica e, in strutture molto piccole (pile a bottone), nelle protesi auditive.

Le pile al litio. Il basso peso specifico e l'alto potenziale elettrico del litio rendono questo elemento chimico molto interessante per la costruzione di pile di elevata capacità specifica (3,86 Ah/g, 7,23 Ah/cm3). Altri vantaggi sono: una tensione fra i terminali più che doppia di quella delle pile alcaline e una minore dipendenza dalla temperatura.
Vantaggi:
· altissima densità energetica (energia per unità di massa: --150 Wh/kg )
· peso ridotto
· molto longeve
· tempi di ricarica totale brevi (ca. 3h)
· non sensibile ad escursioni termiche
· materiali non tossici
· possibilità di ricariche parziali (biberonaggio)
Svantaggi:
· costo elevato ( 400-600 € kWh)
· necessita un caricatore particolare
· possibili danni alla batteria in seguito a scariche totali


Na-S Batterie Zolfo-Sodio
in una cella della batteria Zn-Br il flusso di due elettroliti differenti è separato da una membrana in polyolefina microporosa, mentre gli elettrodi sono formati da un composto carbonio-plastico.
Durante la fase di scarica lo zinco e il bromo formano bromuro di zinco, generando 1,8V in ogni cella. Di conseguenza aumenta la densità di ioni Zn2+ e Br- in entrambi i serbatoi dell'elettrolita.
Durante la fase di carica lo zinco metallico si deposita formando una pellicola nell'elettrodo negativo e nel contempo il bromo evolve in soluzione diluita dal lato opposto della membrana e reagendo con ammine organiche si stratifica sul fondo del serbatoio elettrolitico, l'efficienza netta è data al 75%.