Batterie al piombo

Oggi vogliamo parlare di batterie e nello specifico delle batterie al piombo tra le più diffuse sul mercato

Ma prima vediamo esattamente che cosa è una batteria?

Una batteria, è un dispositivo che immagazzina energia per un uso successivo, è un apparato elettrochimico che converte l’energia chimica in energia elettrica, mediante l’uso di una cella galvanica.

Una cella galvanica è un sistema relativamente semplice costituito da due elettrodi (un anodo e un catodo) e una soluzione di elettrolita. Lo scopo delle batterie non è quello di produrre elettricità ma di accumulare o immagazzinare l’elettricità. Le reazioni chimiche all’interno delle batterie variano a seconda che l’energia elettrica venga immagazzinata o rilasciata. Tipicamente le batterie non offrono un’efficienza del 100% ma si attesta su valori inferiori. Questo significa che un po’ di energia viene persa sotto forma di calore durante le reazioni chimiche di carica e scarica. Ed esempio, prelevando 1000W (watt) da una batteria, la stessa potrebbe richiederne 1200 per essere ricaricata completamente.

Utilizzi della batteria al piombo

Le due principali applicazioni delle batterie al piombo sono l’avviamento, trazione ed uso ciclico.

Le batteria d’avviamento sono destinate al mondo delle auto e delle moto e servono per fornire l’energia necessaria al motorino d’avviamento a metter in moto il mezzo e a fornire l’alimentazione ai servizi e agli accessori del mezzo.

Le batterie da trazione sono installate su mezzi elettrici come i carrelli elevatori ed altra tipologia di mezzi elettrici, mentre le batterie ad uso ciclico sono installate in impianti fotovoltaici e in sistemi di backup elettrico in entrambe questo tipo di applicazioni le batterie devono fornire l’energia necessaria per garantire l’autonomia di lavoro con correnti decisamente inferiori a quelle necessarie all’avviamento dei motori. Questa tipologia di batterie soggette a scaricare più profonde e ad un numero di cicli di scarica e ricarica più alto rispetto a quelle d’avviamento.

Tipologie di batterie al piombo

I principali tipi di costruzione si differenziano per come viene gestito il liquido elettrolita.

• Pb-acido liquido o Flooded
• Gel
• AGM (Absorbed Glass Mat).

Pb-acido liquido

L’elettrolita attraverso cui avviene la reazione chimica tra gli elettrodi è un liquido acido allo stato libero. Nel corso dei processi di carica-scarica si ha la formazione di gas a base di ossigeno e di idrogeno provenienti dalla decomposizione della componente acquosa del liquido. Tale “gassificazione” determina la riduzione del liquido che quindi deve essere occasionalmente rabboccato con acqua distillata.  Gli accumulatori destinati all’avviamento dei motori vengono progettati per cicli di carica-scarica ridotti e quindi con ridotta gassificazione. Per tale motivo non hanno necessità di manutenzione, cioè di rabbocco.  Gli accumulatori destinati ai servizi di bordo sopportano cicli di scarica ripetuti e spesso profondi e devono quindi essere progettati per rendere possibile la periodica manutenzione. Dato che la manutenzione è un’attività spesso onerosa, esistono degli accumulatori che vengono progettati per un uso ibrido con cicli leggeri e senza necessità di rabbocco.
 

GEL
 La batteria al gel è un accumulatore al piombo nel quale l’elettrolita non è acido allo stato liquido ma assume la consistenza e l’apparenza di un composto gelatinoso. L’elettrolita gelatinoso, il contenitore sigillato usando delle speciali valvole a pressione e la reazione chimica interna a “ricombinazione” (VRLA) che minimizza la fuoruscita di gas tipica dell’elettrolita liquido, rendono tali accumulatori:
 

• realmente senza manutenzione (MF – “Maintenance Free”)
• immuni dal rischio di sversamento accidentale dell’acido liquido
• adatti ad installazioni in prossimità di persone e di apparecchiature elettroniche.
   

Inoltre la conformazione gelatinosa dell’elettrolita garantisce una maggiore protezione alle piastre durante la fase di scarica rendendo tali batterie particolarmente indicate ad applicazioni che prevedono cicli di scarica molto “profondi” come nella trazione elettrica. 

La tecnologia VRLA è però particolarmente sensibile al processo di carica che se effettuato in modo non conforme a quanto suggerito dal produttore, in particolare per ciò che riguarda la tensione di ricarica, può danneggiare irreparabilmente l’accumulatore e portare ad un fine-vita prematuro. La tensione di ricarica è inoltre da adeguare in funzione della temperatura di lavoro della batteria.In condizioni di lavoro “pesante” e se sottoposta a corretta ricarica la vita utile di una batteria al gel è sensibilmente superiore a quella di una batteria ad acido. 

AGM(Abosrbed Glass Mat)

La batteria AGM (Absorbed Glass Mat) è un accumulatore al piombo-acido liquido nel quale l’elettrolita è assorbito in separatori costituiti da una massa spugnosa in fibra di vetro che opera anche da separatore e irrobustisce la piastra. La modalità costruttiva del tutto analoga a quella della tecnologia GEL (VRLA) rende tali accumulatori: 

• realmente senza manutenzione (MF – “Maintenance Free”)
• immuni dal rischio di sversamento accidentale dell’acido liquido
• adatti ad installazioni in prossimità di persone e di apparecchiature elettroniche.

Inoltre la tecnologia AGM risulta indicata sia per applicazioni nelle quali è richiesta una corrente di spunto elevata (es. avviamento motore) sia per quelle in cui la batteria è sottoposta a cicli di carica-scarica (es. servizi di bordo) rappresentando un eccellente prodotto “doppio uso”.
 

Quali sono i vantaggi delle Batterie AGM?

Le batterie AGM non perdono liquido anche se danneggiate e non richiedo alcuna manutenzione. Sono inoltre definite a “ricombinazione” in quanto l’ossigeno e idrogeno presente nell’acqua si ricombinano all’interno della batteria stessa. Negli accumulatori a ricombinazione, i gas che si generano per elettrolisi dell’acqua vengono ricombinati durante la fase di carica attraverso il cosiddetto “ciclo di ricombinazione dell’ossigeno”, generando nuovamente acqua. L’efficienza della ricombinazione è tipicamente del 99% il che significa che la perdita d’acqua diventa trascurabile. 

Le modalità di carica (tensioni e correnti) per la maggior parte delle batterie AGM sono le stesse di una batteria di tipo standard (a parità di tensione e capacità nominale), quindi non è necessario ricorrere a caricatori o regolatori appositi.

La resistenza interna è estremamente bassa e non vi è quasi nessun riscaldamento della batteria, nemmeno con elevate correnti di carica o scarica. Le batterie AGM hanno un tasso di autoscarica molto basso (da 1% a 3% al mese). Una batteria AGM può essere conservata per un lungo periodo di tempo (tipicamente fino a 6 mesi) senza ricarica.

Le modalità di assemblaggio delle piastre AGM rendono questo tipo di batteria in grado di resistere a urti e vibrazioni meglio di qualsiasi batteria standard.

Che cosa significa la sigla Ah presente sulle batterie?

La sigla Ah, si legge Ampere-Ora e identifica la capacità di erogare corrente di una batteria. Essa varia in relazione all’intensità della corrente erogata. La capacità nominale (C) viene convenzionalmente definita alla scarica in 20 h, con una tensione di fine scarica di 1,75V per cella galvanica a una temperatura tra 20/25°C. Ricordiamo che in una batteria al piombo la cella galvanica ha una tensione nominale di 2V. La capacità di una batteria (Ah) viene espressa come il prodotto tra la corrente di scarica (A) e il tempo (h) trascorso fino al raggiungimento della tensione finale di scarica. “Un ampere-ora è un ampere per un’ora, oppure 2 ampere per mezz’ora, 4 ampere per un quarto d’ora e così via.

Ad esempio, se avete un carico che assorbe 20A (ampere), e viene utilizzato per 20 minuti, per calcolare gli Ah utilizzati si usa la seguente formula:

20 (Ampere) x 0,333 (ore) = 6.67 Ah.

Attenzione! Per valutare la capacità delle batterie viene quasi sempre utilizzo il rate 20h. Questo significa che, nel caso di una batteria da 12V, viene scaricata fino a 10,5 volt in un periodo di 20 ore, e ne viene misurato il valore in Ah che riesce a fornire durante tale periodo di periodo di scarica. Alcuni produttori riportano nei datasheet delle loro batterie le tabelle del tasso di scarica in periodi diversi (es. 6 ore e 100 ore) agevolando il confronto tra diversi modelli per diverse applicazioni.

Ad esempio nel caso di batterie industriali, viene utilizzato il rate 6h che rispecchia il tipico ciclo di lavoro quotidiano. Altre volte viene utilizzato il rate 100h per indicare una prestazione migliore di quella reale anche se, il dato a 100h è utile per capire la capacità della batteria per esigenze di backup a lungo termine. Come già scritto in precendenza, le batterie al piombo sono più efficienti con basse correnti di scarica. Per questo motivo, maggiore è il tempo di scarica e maggiore sarà la capacità risultante.

Le batterie si scaricano quando non sono utilizzate?

Tutte le batterie, a prescindere dalla loro chimica, sono soggette ad autoscarica.

Il tasso di autoscarica dipende da:

• tipologia costruttiva della batteria
• temperatura di conservazione

Nel caso delle batteria al piombo, un valore generale di autoscarica da considerare è di circa il 1% – 3% a settimana. Indipendenemente dal tipo di batteria è opportuno tenere in considerazione l’importanza delle temperatura, i valori indicati sono normalmente valutati con una temperatura ambiente di 20/25°C, al crescere della temperatura cresce anche l’autoscarica, pertanto è consigliato stoccare le batterie a temperature inferiori ai 30°C.