Tipi di batterie
I nostri vecchi amici
Piombo-acido
Quando è stata l’ultima volta che hai dovuto tirare fuori la manovella, inserirla nell’albero motore della tua auto e dargli una buona svolta per far funzionare il motore? Mai? Questo perché abbiamo batterie al piombo-acido collegate ai motori delle nostre auto che forniscono quella scarica di potenza di cui il motore ha bisogno per andare avanti. Questi sono stati inventati da Gaston Planté nel 1859.
Come suggerisce il nome, queste batterie hanno un po ‘ di piombo in loro. Infatti, entrambi gli elettrodi (i conduttori attraverso i quali l’elettricità entra o esce dalla batteria) contengono del piombo—l’anodo (elettrodo modificato positivamente) è fatto di metallo piombo (Pb) e il catodo (l’elettrodo caricato negativamente) è diossido di piombo (PbO2). Gli elettrodi sono collocati all’interno di una soluzione elettrolitica di acido solforico (H2SO4), che è composta da ioni idrogeno (H+) e ioni bisolfato (HSO4).,
Il piombo all’anodo reagisce con il bisolfato dall’elettrolita, liberando alcuni elettroni e producendo solfato di piombo, che forma cristalli sull’anodo e ioni idrogeno che entrano nell’elettrolita. Gli elettroni viaggiano verso il catodo tramite un circuito esterno, dove, insieme al bisolfato e agli ioni idrogeno dall’elettrolita, reagiscono con il catodo di biossido di piombo. Questo produce anche solfato di piombo, che forma nuovamente cristalli, questa volta sul catodo.,
Le batterie al piombo-acido sono ricaricabili-quelle delle nostre auto si caricano usando un piccolo generatore collegato al motore, chiamato alternatore. Ecco perché quando hai lasciato le luci dell’auto accese e la batteria è scarica, è consigliabile andare in giro per un po ‘ dopo aver ottenuto il jump-start per dare il tempo alla batteria di ricaricarsi di nuovo.
Quando la batteria si carica, le reazioni chimiche sopra descritte che producono l’elettricità sono forzate all’indietro. I rivestimenti di solfato di piombo sono disciolti e costretti di nuovo nell’elettrolita come ioni Pb2+ e SO42., Gli ioni Pb2 + raccolgono quindi due elettroni e vengono ri-placcati sull’anodo come Pb neutro.
Al catodo, gli ioni Pb2+ rinunciano a due elettroni per formare e reagire con molecole di acqua (H2O) per riformare il biossido di piombo neutro sul catodo e alcuni ioni bisolfato che tornano nella soluzione elettrolitica.
Tuttavia, se una batteria al piombo si scarica troppo, o viene lasciata troppo tempo prima della ricarica, i rivestimenti di solfato di piombo si formano in cristalli duri che non possono essere rimossi dal processo di ricarica.,
Ultrabattery
Sviluppato presso CSIRO, l’Ultrabattery è una versione truccata di una tradizionale batteria al piombo. Combina la tecnologia standard della batteria al piombo con un supercondensatore. Quando una normale batteria piombo-acido si scarica, la reazione che la guida provoca la formazione di cristalli di solfato di piombo sia sull’anodo che sul catodo. Il processo di ricarica rimuove questi rivestimenti, ma gli elettrodi (e quindi la batteria) si degradano nel tempo., Inoltre, la batteria non ama funzionare in uno stato di carica parziale-una condizione in cui la batteria è sottoposta a ripetuti cicli brevi di scarica e ricarica, senza mai svuotare completamente la batteria o caricarla completamente. Questo funzionamento parziale dello stato di carica è particolarmente importante per i veicoli.
L’ultrabatteria utilizza il supercondensatore per compensare le reazioni problematiche degli elettrodi di piombo nella batteria piombo-acido, aumentandone la durata., Poiché un supercondensatore può assorbire e immagazzinare la carica molto rapidamente, può divorare l’energia disponibile e quindi alimentarla alla batteria alla giusta velocità. Riesce a ridurre l’accumulo di solfati derivanti dal processo di scarica-ricarica in una batteria al piombo standard.
L’UltraBattery è anche relativamente economico da realizzare, circa il 70 per cento in meno rispetto alle batterie agli ioni di litio attualmente utilizzate nelle auto elettriche ibride. Un altro potenziale utilizzo per l’ultrabatteria sarebbe nelle centrali elettriche, per immagazzinare e “lisciare” l’energia prodotta da fonti rinnovabili come il solare e l’eolico., Nelle prove su larga scala del parco eolico in Australia, l’UltraBattery ha sovraperformato le batterie al piombo-acido convenzionali.
- Che cos’è un supercondensatore?
Un condensatore è un po ‘ come una batteria … ma non proprio. L’energia di una batteria deriva dalla reazione chimica tra i suoi componenti. L’elettricità è generata dal flusso di elettroni all’interno della reazione redox tra l’anodo e il catodo.
Un condensatore fornisce anche energia, ma non proviene da una reazione chimica., I condensatori sono costituiti da due piastre conduttive, con un dielettrico o un isolante (una sostanza che non conduce elettricità) in mezzo. Quando queste piastre sono collegate a una corrente elettrica, la corrente scorre in esse; una piastra memorizza una carica negativa sui suoi atomi superficiali e l’altra una carica positiva, di nuovo sugli atomi superficiali. Poiché queste piastre caricate in modo diverso sono separate dal dielettrico non conduttore, viene creato un campo elettrico che memorizza l’energia elettrica. Quando il condensatore è collegato a un altro circuito, rilascia (scarica) l’energia elettrica.,
I condensatori di solito rilasciano la loro energia molto rapidamente-forniscono rapide esplosioni di energia. Questo li rende utili per compiti abbastanza specifici, come l’accensione del flash su una fotocamera. Il flash utilizza rapidamente molta energia per creare la luce intensa, quindi il condensatore si ricarica dalla batteria della fotocamera in modo che possa essere riutilizzato per la foto successiva.
Una nuvola è un condensatore: poiché piccole particelle di ghiaccio nella nuvola si scontrano tra loro e altre particelle di umidità, gli elettroni possono essere eliminati. Questi elettroni tendono ad accumularsi all’interno delle regioni inferiori della nube., Le piccole particelle, ora caricate positivamente, salgono verso la cima della nuvola. Ciò significa che una separazione di carica, e un campo elettrico, si accumula all’interno della nuvola. Quando la carica negativa sul fondo della nuvola aumenta di forza, respinge altre cariche negative da essa-spinge gli elettroni sulla superficie terrestre più in profondità nel terreno, il che significa che una carica positiva si accumula sulla superficie. Finiamo con una regione caricata negativamente (il fondo della nuvola), separata da una regione di carica positiva (il terreno) da un povero conduttore di elettricità (l’aria)., Quando il campo elettrico nella nube diventa abbastanza forte, può ‘abbattere’ l’aria circostante in particelle ionizzate (cariche), trasformandola da un isolante non conduttivo in un conduttore. L’energia elettrica immagazzinata nella nuvola viene immediatamente rilasciata,in un lampo.
I supercondensatori sono semplicemente condensatori estremamente potenti, con capacità più elevate. Ciò significa che sono in grado di immagazzinare molta più energia elettrica rispetto ai normali condensatori.,
Nichel-cadmio
Anche se sono ormai distintamente vecchie notizie, batterie al nichel-cadmio (NiCad) sono state le prime batterie ricaricabili utilizzate in utensili elettrici, torce e altri dispositivi portatili. Questi erano i ragazzi nei nostri telefoni cellulari prima che le batterie agli ioni di litio li avviassero. A volte si trovano ancora come vecchie batterie AA ricaricabili per torce e giocattoli. Come la batteria al piombo, questa chimica cellulare è in circolazione da molto tempo – le prime batterie NiCad sono state messe in vendita nel 1910!,
L’anodo è costituito da cadmio (Cd) e i loro catodi sono idrossido di ossido di nichel (NiO(OH)2), di solito con un elettrolita di idrossido di potassio (KOH).
L’idrossido di ossido di nichel rende un elettrodo molto buono, in quanto può essere prodotto per avere una grande area superficiale, e questo aumenta l’area attiva disponibile per la reazione., Inoltre, non reagisce con l’elettrolito durante la reazione, il che mantiene la soluzione elettrolitica bella e pura e aiuta la cellula a durare un (relativamente) molto tempo prima che le fastidiose reazioni collaterali la rendano degradabile.
Le batterie NiCad avevano alcuni difetti. In primo luogo, erano inclini a qualcosa chiamato “effetto memoria”, in cui le batterie “ricordavano” i livelli di scarica precedenti e non si ricaricavano correttamente. Ciò è stato causato dalla formazione di cristalli di cadmio grandi, piuttosto che piccoli, durante il processo di ricarica., Garantire che la batteria sia stata scaricata correttamente prima di ricaricarla è andato in qualche modo verso la prevenzione di questo problema. Ma si doveva stare attenti-completamente scaricando una batteria NiCad anche danneggiato.
In secondo luogo, il tasso di autoscarica di una batteria NiCad è di circa il 15-20 per cento al mese. Ciò significa che se si sono seduti sullo scaffale per alcuni mesi, hanno perso gran parte della loro carica.
In terzo luogo, il cadmio è costoso e un metallo pesante tossico, il che significava che lo smaltimento delle batterie non era una buona cosa per l’ambiente.,
Nichel-metallo idruro (NiMH)
Questi problemi con le batterie NiCad hanno portato alla sostituzione dell’anodo di cadmio con una lega intermetallica che assorbe idrogeno (una combinazione di metalli con una struttura cristallina definita) che può inghiottire fino al 7% di idrogeno in peso. Essenzialmente, l’anodo è l’idrogeno; la lega metallica serve semplicemente come un recipiente di stoccaggio per esso.
La combinazione più comune di metalli per questa lega sono quelli con una forte capacità di idruro-formazione, insieme con un metallo idruro-formazione debole.,
Un’altra considerazione quando si mette insieme la lega metallica è che quando alcuni metalli assorbono l’idrogeno, la reazione emana calore—è esotermica. Altri assorbono il calore in una reazione endotermica. Non vogliamo davvero una batteria che produce o aspira il calore mentre scarica, quindi, insieme alla combinazione di formazione di idruro forte-debole di cui è composta anche la lega, abbiamo bisogno di una combinazione di metalli esotermici ed endotermici.
Gli elettroni che producono la corrente elettrica della batteria provengono dall’ossidazione degli atomi di idrogeno, che si trasformano in protoni., Questi protoni reagiscono con ioni idrossido (OH -) dall’elettrolita per produrre acqua. La lega metallica che forma l’anodo insieme all’idrogeno non prende parte alla reazione chimica che guida la cellula; è fondamentalmente un passante che fornisce solo una casa per gli importantissimi ioni idruro.
Le batterie al nichel-metallo idruro sono molto simili alle batterie NiCad in termini di tensione, capacità e applicazione. L’effetto memoria è meno di un problema che con NiCads e hanno una maggiore densità di energia. Sono ancora utilizzati come standard per batterie AA ricaricabili.,
Alcaline
Le batterie alcaline sono utilizzate nei giocattoli, nell’elettronica, nei lettori CD portatili che abbiamo usato negli anni Novanta e nei Walkman che erano popolari negli anni Ottanta. Essi rappresentano la maggior parte delle batterie che sono fatti oggi, anche se il loro posto nella parte superiore sarà probabilmente presto contestata dalle batterie agli ioni di litio nei nostri telefoni, computer portatili e un numero crescente di altri gadget.
Sono popolari perché hanno un basso tasso di autoscarica, dando loro una lunga durata e non contengono metalli pesanti tossici come piombo o cadmio. Sebbene siano state sviluppate batterie alcaline ricaricabili, questi ragazzi sono generalmente monouso. Una volta che sono fuori carica, è fuori al deposito di riciclaggio (o, più di solito, in discarica, in quanto non ci sono molti posti che li riciclano).
Queste batterie hanno zinco come anodo e biossido di manganese (MnO2) come catodo., Il loro nome, tuttavia, deriva dalla soluzione alcalina utilizzata come elettrolita. Di solito è idrossido di potassio (KOH), che può contenere un gran numero di ioni disciolti. Più ioni la soluzione elettrolitica può assorbire, più a lungo la reazione redox che guida la batteria può andare avanti.
L’anodo di zinco è solitamente in polvere. Questo gli conferisce una maggiore superficie per la reazione, il che significa che la cellula può rilasciare il suo potere abbastanza rapidamente., Cede i suoi elettroni al catodo diossido di manganese, a cui viene aggiunto carbonio, sotto forma di grafite, per migliorare la sua conduttività e aiutarlo a mantenere la sua forma.
E questo ci porta alle batterie che in questi giorni alimentano la maggior parte dei nostri smartphone e laptop: batterie agli ioni di litio. Questi ragazzi sono così importanti che abbiamo voluto trattarli con il rispetto (e il dettaglio) che meritano, in modo da poter leggere su di loro nella loro caratteristica Nova.