La cella è l’elemento costruttivo elementare delle batterie. È il dispositivo minimo che converte l’energia chimica, contenuta nei materiali attivi, direttamente in energia elettrica, mediante reazioni elettrochimiche di ossidoriduzione.
Una cella comprende due piastre – elettrodi – che si caricano positivamente
e negativamente, immerse in un liquido particolare – elettrolito o anche elettrolita – . Reazioni diverse avvengono su ognuna delle due piastre, sia in fase di carica che in fase di scarica. Durante la carica le reazioni convertono l’energia elettrica fornita dall’esterno in potenziale chimico. Il contrario durante la scarica.
Tensione nominale: La cella può essere considerata come una pompa di elettroni. La tensione nominale, o potenziale di cella, è la tensione tra i poli e corrisponde alla “pressione” dell’ipotetica pompa di elettroni.
La chimica delle celle
Esistono diversi modi di sfruttare le reazioni chimiche della cella elettrolitica; ad ognuno di queste corrisponde una diversa prestazione. Le celle al litio hanno una maggiore densità di energia rispetto alle tecnologie precedenti. Sono sicure, non tossiche, longeve. Sono le più adatte per i veicoli elettrici e ibridi.
- Piombo-acido (Pb-acid): le celle al piombo acido sono le più antiche. Sono formate da un catodo di ossido di piombo e un anodo di piombo spugnoso. L’elettrolita è una soluzione di acido solforico diluito in acqua distillata. La tensione della cella è 2 V.
È pesante, per la natura stessa degli elettrodi, e pericolosa, per la possibile fuoriuscita dell’acido. Ha bassa energia specifica, medie prestazioni per potenza e funzionamento
a bassa temperatura, autoscarica ragionevolmente bassa, difficile monitoraggio
dello stato di carica, ricarica lenta. I componenti metallici sono riciclabili ma hanno basso valore residuo; la presenza dell’acido rende il recupero difficoltoso. Sono soggette a guasto per invecchiamento dei materiali dopo meno di 1000 cicli di carica e scarica.
La batteria al piombo è molto diffusa e prodotta in grande scala a bassi prezzi. L’uso principale è come batteria di avviamento e per l’impianto di bordo dei veicoli e dei natanti. È anche usata per i sistemi di emergenza, come accumulo per le utenze isolate, per i sistemi di continuità (anti black out), per le vetture elettriche.
- Nickel-Cadmio (Ni-Cd): queste celle usano un ossido di nichel per catodo, il cadmio per anodo, un sale per elettrolita. Hanno buone caratteristiche, ma soffrono il fenomeno della “memoria”, per cui, se per più volte si ferma la scarica a un livello parziale, quello sarà memorizzato come ultimo stadio di scarica. Queste batterie furono usate negli anni ottanta nei primi apparecchi portatili video e telefonia; sono state presto bandite per l’elevata tossicità del cadmio.
- Nickel-Idruri Metallici (Ni-MH): sono le batterie che hanno sostituito quelle al Ni-Cd, e sono tuttora molto diffuse specialmente nel formato stilo. Usano un ossido di nichel per il catodo; l’anodo è un metallo (lantanio o altra terra rara), con idrogeno adsorbito alla superficie. Hanno buona capacità e velocità di ricarica e non soffrono effetto memoria.
Per le applicazioni in cui il costo non è un problema sono state soppiantate dalle batterie al litio.
- Sodio-Cloruro di Nickel (Na-NiCl2): sono l’evoluzione della tecnologia sodio-zolfo; utilizzano un sale tenuto sempre allo stato fuso a circa 300 gradi, anche se all’esterno del contenitore non si avverte nessuna temperatura pericolosa. Per la sua tecnologia può essere solo di dimensioni abbastanza elevate, e infatti l’unica utilizzazione è per la trazione di auto elettriche. Deve sempre rimanere a temperatura costante, per cui dissipa una parte del suo contenuto energetico per questo scopo. Non può essere lasciata per lungo tempo priva di ricarica.
Il litio è attraente per la sua leggerezza e il suo potenziale elettrico. Le caratteristiche sono: alta capacità di carica, alta potenza, costo delle materie prime relativamente basso, alta velocità di ricarica, elevato numero di cicli (vita), elevata disponibilità della materia prima e basso impatto sull’ambiente per la produzione e lo smaltimento. Esistono già varie tecnologie disponibili, e altre sono in fase di studio.
Batteri e al Litio – ioni
La tecnologia della Litio-ioni usa un anodo di grafite e vari componenti per il catodo. L’elettrolita è un sale di litio sciolto in un solvente organico anidro. Gli studi attuali si concentrano sulla struttura del catodo. La tecnologia dei primi modelli prevedeva il
catodo in litio metallico. Questo era soggetto a una implicita instabilità chimica, durante la
fase di ricarica poteva incorrere in surriscaldamenti che portavano alla fusione del litio
e a una ossidazione veloce e incontrollabile. Negli anni a seguire il 1991 una notevole
quantità di batterie al litio sono state ritirate in seguito al rilascio di gas o all’incendio di alcuni esemplari. Si calcola che gli esemplari in failure siano stati uno su 200 mila, e questo ha imposto il ritiro di circa sei milioni di pacchi, solo da parte di Dell e Apple.
A seguito di questi inconvenienti la produzione di batterie si è concentrata sulla sostituzione del catodo a litio metallico con un catodo a litio non metallico, in particolare verso il catodo a ioni di litio dispersi in una matrice cristallina di un ossido stabile.
- Litio – Cobalto (LiCoO2): è il tipo più diffuso per la costruzione del catodo. Ovviamente il cobalto utilizzato è l’isotopo non radioattivo. È tuttora usato per i computer portatili e per i cellulari. Soffre ancora di problemi di riscaldamento, come pure di qualche instabilità in caso di perforazione del contenitore. Per questi motivi è il meno adottato per la trazione elettrica.
- Litio-Ferro-Fosfato (LiFePO4): possiede una stabilità termica superiore. Il litio fosfato è incombustibile e sotto corto circuito non si decompone. Permette una vita ciclica alta (2000-3000 cicli). Queste batterie hanno energia più bassa di quelle Litio–Cobalto, ma potenza superiore. Sono comunque superiori per sicurezza, costo e tossicità.
- Litio-Ossido di Manganese (LiMn2O4): offre una alta tensione di cella e stabilità termica, ma una energia un po’ minore delle altre. Il costo è basso e i materiali non sono tossici. Buone prestazioni a alta temperatura.
- Litio-Nichel-Cobalto-Manganese (LiNixCoyMnzO2 – NCM): rappresentano un buon compromesso tra le varie caratteristiche delle tecnologie.
- Litio-Ossido di Titanio (Li4Ti5O12 – LTO): queste celle rimpiazzano l’anodo di grafite con uno di titanato di litio. Questo è in genere usato in accoppiamento con un catodo a base di manganese. Offrono caratteristiche elettriche soddisfacenti ed evitano I pericoli di combustione della grafite.
Batterie al Litio polimeriche
La batteria ricaricabile nota come litio-polimero o litio polimerica (abbreviato Li-Poly o LiPo) possiede la seguente caratteristica: l’elettrolita in sale di litio non è contenuto in un solvente organico, ma si trova in un composito di polimero solido, come ad esempio il poliacrilonitrile. Vi sono molti vantaggi in questo tipo di costruzione, tra cui il fatto che il polimero solido non evapora e non è infiammabile. Le attuali celle polimeriche
hanno una struttura a fogli flessibili, spesso pieghevoli (laminato polimerico), per cui non hanno un contenitore rigido. Hanno tipicamente la struttura a busta.
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