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Batterie usa e getta e batterie ricaricabili

 20 gennaio 2016
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 Categoria: Energia
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 Scritto da: admin

Se non fosse stata inventata non avremmo calcolatrici, cellulari, giocattoti, dispositivi elettronici portatili. La pila è l’invisibile protagonista della nostra vita quotidiana. Dalle usa e getta alle ricaricabili, alle superpotenti pile del futuro.


Quali sono i segni particolari delle pile? E cosa indicano? Per giudicare le prestazioni di una pila bisogna badare ad alcuni valori fondamentali: tensione nominale e di lavoro, capacità, durata di scarica e di vita di magazzino. La tensione nominale riportata sull’etichetta indica la differenza di potenziale presente fra i morsetti della pila quando non è collegata. Questo dipende sia dal sistema elettrochimico utilizzato sia dal numero di elementi voltaci collegati in serie.


Per esempio: un pila alcalina da 9 volt è formata da sei elementi voltaici in serie, ciascuno da 1,5 volt. Quando la pila è collegata a un circuito, la tensione a sui capi diminuisce e il nuovo valore è detto tensione di lavoro. La quantità di enerigia che la pila può erogare si chiama "capacità" e si esprime in ampere/ora. L’efficienza di una pila è data dalla sua capacità specifica, cioè dalla capacità per unità di peso o di volume: maggiore è la capacità specifica minore è la dimensione della pila a pari di prestazione. La durata di scarica indica il periodo di funzionamento in un determinato apparecchio e dipende dal carico a cui la pila è collegata. La durata di vita in magazzino indica il tempo entro il quale la pila è ancora in grado di fornire le prestazioni specificate.


Quali sono i formati delle pile e cosa significano le varie sigle delle confezioni?

Le pile possono essere classificate in base al loro formato in due grandi famiglie: quelle a “stilo”, di forma cilindrica o rettangolore, e quelle definite a “bottone”, dalla forma tonda e piatta che sono quelle usate negli orologi e nelle calcolatrici tascabili. Le pile a stilo sono a loro volta classificate a seconda del formato. A ciascun formato corrisponde poi anche una sigla che definisce anche la natura della pila, ovvero se è ricaricabile oppure del tipo usa e getta. Per scegliere a colpo d’occhio la pila giusta basta ricordare le sigle più comuni: le pile a stilo hanno il codice AA (se sono usa e getta) o RC6 (per le ricaricabili). Le mini-stilo sono AAA oppure RC3, la mezza torcia si indica con C e la torcia con D.


Quanti tipi di pile primarie (non ricaricabili) esistono?

I modelli più comuni sono: le pile zinco-carbone, zinco-cloruro e zinco-aria, quelle alcaline e quelle al litio. La pila zinco-carbone fu inventata da Georges Leclanché nel 1868 ed è ancora largamente utilizzata. Il suo elettrodo negativo è costituito da un contenitore di zinco al cui interno si trova un cilindretto di carbone (elettrodo positivo) immerso in una pasta (formata da carbone e biossido di manganese) impregnata con una soluzione acquosa di cioruro di aminonio (elettrolito). Sono pile molto economiche ma soffrono però del fenomeno dell'autoscarica, ovvero della graduale perdita di capacità durante il periodo di non funzionamento.


La pila zinco-cloruro è basata sulla stessa tecnologia della pila zinco-carbone e ne condivide pregi e difetti, tranne per il fatto che utilizza una soluzione acquosa. di cloruro di zinco, meno aggressiva nei confronti del contenitore di zinco.


La pila zinco-aria, dalla tipica forma a bottone, è stata sviluppata nei primi anni del Novecento. Il suo nome deriva dal fatto che utilizza proprio l'ossigeno dell'aria per dare vita alla reazione elettrochimica. La capsula di metallo forma il terminale positivo mentre il polo negativo è composto da polvere di zinco e occupa la maggior parte del volume disponibile. Nella capsula sono presenti dei fori che consentono all'aria di penetrare all'interno della pila e accedere al polo positivo. A causa della lenta diffusione dell'ossigeno la potenza di queste pile è piuttosto bassa: sono adatte solo per applicazioni che richiedono un basso assorbimento di corrente (non superiore a 5 -10 milli-ampere), in particolare vengono utilizzate negli apparecchi acustici.


Le pile alcaline sono state sviluppate negli anni Sessanta dalla Mallory, (ora Duracell) e utilizzano anch'esse zinco e biossido di manganese come le pile zinco - carbone. L'elettrodo negativo è composto da particelle di zinco, di dimensione e purezza accuratamente controllate, sospese in un gel. Queste particelle sono spesso mescolate con piccole quantità di indio e bismuto per impedire la formazione di idrogeno, che abbasserebbe le prestazioni della pila. L'elettrolito è una soluzione alcalina di idrossido di potassio (da qui il nome della pila).


La tecnologia più sofisticata utilizzata per la costruzione ha consentito dì aumentare notevolmente la durata di scarica di queste pile rispetto a quelle zinco - carbone. Il mercurio, originariamente introdotto per migliorare la conservazione della carica, è stato eliminato da queste batterie nel 1994 per renderle più amiche dell’ambiente. Le pile più moderne sono quelle al litio: forniscono una tensione più che doppia rispetto a quella delle pile alcaline e presentano una minore dipendenza dalla temperatura. Sfruttando il basso peso specifico e l'alto potenziale elettrico del litio, si è riusciti a creare dispositivi con una elevata capacità in relazione al peso.


Quali sono e che caratteristiche hanno lo pile ricaricabili?

Le pile secondarie o accumulatori (è così che si definiscono tecnicamente le ricaricabili) si dividono in due famiglie: quelle al nichel (nichel-ferro, nichel-cadmio e nichel-idruri metallici) e quelle al litio. La tecnologia moderna e in particolare l'arrivo dei telefoni cellulari ha aumentato notevolmente la diffusione di queste batterie, che sono molto più antiche di quel che si può pensare. La nichel-ferro fu messa a punto nel 1890 da Thomas Edison, l'inventore della lampadina. La pila, molto semplice, era composta da un elettrodo positivo realizzato con idrossido di nichel, da un elettrodo negativo in ferro e da idrossido di potassio come elettrolito.


Questa batteria ha rappresentato il punto di partenza per lo sviluppo delle altre due pile al nichel sul mercato. Le pile nichel-cadmio (Ni-Cd) hanno una notevole capacitá specifica e quindi in dimensioni ridotte forniscono clevata energia. La struttura dell'elettrodo positivo di questa pila ha subito diverse modifiche nel corso degli anni. Comunemente viene realizzata ricoprendo una sottile striscia di acciaio con particelle di nichel che successivamente vengono fatte fondere in modo da creare uno strato altamente poroso. All'interno di questi poti viene poi fatto penetrare l'idrossido di nichel. Nei modelli più recenti si è sostituito l'elettrodo poroso con uno formato da una schiuma conduttrice che, avendo una porosità superiore, può ospitare una maggiore quantità di idrossido di nichel aumentando la capacità della pila. Anche l'elettrodo negativo (in cadmio) ha subito nel corso degli anni numerose modifiche per migliorarne l'efficienza, oggi si realizza cori un processo simile a quello utilizzato per il polo positivo.


I membri più giovani della famiglia delle ricaricabili al nichel sono quelle al nichel-idruri metallici (NiMH) e sono destinate a sostituire le più tradizionali Ní-Cd. Al posto del cadmio (sostanza altamente tossica) infatti, utilizzano un elettrodo negativo formato da leghe metalliche (meno tossiche) in grado di fissare idrogeno nel reticolo cristallino sotto forma di idruri. La capacità di queste pile è più elevata (dopo 600 cicli di carica-scarica la capacità residua è ancora pari all'80% di quella originaria) ma hanno un grosso svantaggio rispetto a quelle che utilizzano il cadmio: un più marcato processo di autoscarica, ovvero perdono capacità anche se non le si usa. Come le sorelle usa e getta, le ricaricabili al litio sfruttano l'alto potenziale elettrolitico del litio e il suo basso peso specifico. Ne esistono diverse versioni.


A seconda di come sono realizzate, troveremo pile con un lungo tempo di scarica (quelle in cui il polo negativo è realizzato con un unico blocco di litio), con una capacità superiore in formati standard (il modello che sfrutta un disegno molto simile a quello delle pile Ni-Cd) o in qualunque forma e dimensione.

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