Come funziona la batteria: dispositivo, principio di funzionamento, design

Le batterie ricaricabili (accumulatori) sono utilizzate ovunque come fonti di alimentazione mobili e fisse: nella movimentazione dei materiali apparecchiature, in quanto elementi di emergenza e alimentazione di backup, sono alla base dell'autonomia di una grande varietà di portatili dispositivi. Capire come funziona la batteria ti aiuterà a caricare correttamente il tuo smartphone e a prolungare la durata della batteria della tua auto.

Panoramica storica

Lo sviluppo della prima cella elettrochimica è attribuito al fisico italiano Alessandro Volta. Condusse una serie di esperimenti con fenomeni elettrochimici durante gli anni 1790 e intorno al 1800 creò la prima batteria, che i suoi contemporanei chiamavano "pilastro voltaico". Il dispositivo consisteva in dischi alternati di zinco e argento separati da strati di carta o stoffa imbevuti di soluzione di idrossido di sodio.

Questi esperimenti sono diventati la base per il lavoro sulle leggi quantitative dell'elettrochimica per Michael Faraday. Ha descritto il principio di funzionamento della batteria e sulla base del lavoro dello scienziato, sono stati creati i primi elementi elettrici commerciali.. L'ulteriore evoluzione sembrava così:

• Nel 1836, il chimico britannico John Daniel introdusse un modello di cella migliorato, costituito da elettrodi di rame e zinco immersi in acido cloridrico. La cella di Daniel era in grado di fornire una tensione costante in modo incomparabilmente più efficiente dei dispositivi di Volta.
• 1839 Ulteriori progressi avvennero grazie al fisico Grove con la sua cella a due liquidi, costituita da zinco, immersa in acido solforico diluito, situata in un contenitore poroso. Quest'ultimo separò l'acido solforico da un recipiente contenente acido nitrico al cui interno era posto un catodo di platino. L'acido nitrico fungeva da agente ossidante per prevenire la perdita di tensione dovuta all'accumulo di idrogeno al catodo. Il chimico tedesco Robert Bunsen sostituì il platino con carbone poco costoso nella cella di Grove e quindi promosse un'ampia accettazione di questo tipo di batteria.
• Nel 1859 Gaston Plante inventò la cella al piombo, l'antesignana delle moderne batterie per auto. Il dispositivo di Plante è stato in grado di produrre una corrente insolitamente elevata, ma è stato utilizzato solo per esperimenti in laboratorio per quasi due decenni.
• 1895-1905 anni. Invenzione di elementi alcalini di tipo nichel-cadmio e nichel-ferro. Ciò ha permesso di creare sistemi con un numero significativo di cicli di carica-scarica.
• Dagli anni '30 iniziò lo sviluppo delle batterie alcaline argento-zinco e mercurio-zinco, che fornivano un'elevata densità di energia per unità di peso e volume.
• Dalla metà del XX secolo, i progressi nella tecnologia di produzione e l'emergere di nuovi materiali hanno portato alla creazione di batterie ancora più potenti e compatte. Degna di nota è stata l'emergere sul mercato delle batterie al nichel-idruro metallico e al litio.

Dispositivo e principio di funzionamento

Una batteria è un dispositivo che converte l'energia delle reazioni chimiche in energia elettrica. Sebbene il termine "batteria" indichi un insieme di due o più celle elettrochimiche in grado di effettuare tale conversione, esso è ampiamente applicato ad una singola cella di questo tipo.

Ciascuna di queste celle ha un catodo (elettrodo positivo) e un anodo (negativo). Questi elettrodi sono separati da un elettrolita, che assicura lo scambio di ioni tra di loro. I materiali degli elettrodi e la composizione dell'elettrolita sono selezionati per fornire una forza elettromotrice sufficiente tra i terminali della batteria.

Poiché gli elettrodi contengono un potenziale limitato di energia chimica, la batteria si esaurirà durante il funzionamento. Il tipo di cella voltaica che si adatta ad essere ricaricata dopo una scarica parziale o totale è chiamato batterie ricaricabili. Un assemblaggio di tali celle interconnesse: una batteria ricaricabile. Il funzionamento della batteria presuppone un cambio ciclico di due stati:

• Ricarica: la batteria funziona come un ricevitore di elettricità, all'interno delle celle, l'energia elettrica viene convertita in cambiamenti chimici.
• Scarica: il dispositivo funziona come fonte di corrente elettrica convertendo l'energia delle reazioni chimiche in energia elettrica.

Caratteristiche di carica e scarica

L'energia utilizzata per ripristinare la capacità della batteria proviene da caricabatterie collegati alla rete. Per forzare il flusso di corrente all'interno delle celle, la tensione della sorgente deve essere superiore a quella della batteria. Un eccesso significativo della tensione di carica calcolata può portare al guasto della batteria.

Gli algoritmi di ricarica dipendono direttamente da come è disposta la batteria e dal tipo a cui appartiene. Ad esempio, alcune batterie possono essere ricaricate in sicurezza da fonti di tensione costante. Altri funzionano solo con una sorgente di corrente regolata, in grado di modificare i parametri a seconda del livello di carica.

Una carica errata può danneggiare la batteria. In casi estremi, la batteria potrebbe prendere fuoco o il suo contenuto potrebbe esplodere. Esistono batterie intelligenti dotate di dispositivi di monitoraggio della tensione. I principali parametri da considerare quando si utilizzano batterie galvaniche reversibili:

• Aspettativa di vita. Anche con una corretta gestione, il numero di cicli di carica della batteria è limitato. I diversi sistemi di batterie non si consumano sempre per gli stessi motivi. Ma in generale, la durata della batteria è limitata principalmente dal numero di cicli completi di scarica-carica e, in secondo luogo, dalla durata del progetto senza riferimento all'intensità di utilizzo.
• Tempo di ricarica. Il design di base della batteria non implica la ricarica a una velocità arbitrariamente elevata: resistenza interna una cella galvanica convertirà la corrente di carica in eccesso in calore, che può danneggiare irreversibilmente dispositivo. Da un punto di vista fisico, il tempo di carica è limitato dalla massima velocità di diffusione del materiale attivo attraverso l'elettrolita. In parole povere, si può ritenere che il ripristino della piena capacità in un'ora sia un buon indicatore.
• Profondità di scarico. È indicato come percentuale della potenza nominale. Caratterizza la capacità utile. Il livello di scarica operativo consigliato può variare per i diversi tipi di batterie. A causa di modifiche durante il funzionamento o l'invecchiamento, l'indicatore di profondità massima perde il suo valore originale.

Tipi di batteria

Strutturalmente, le batterie differiscono a seconda dello scopo e del tipo di reazioni elettrochimiche che si verificano in esse. Dal modo in cui vengono utilizzate, le batterie possono essere suddivise in due categorie principali:

1. Integrato nella rete. Queste batterie vengono utilizzate come dispositivo di archiviazione che viene costantemente caricato dalla fonte di alimentazione principale e dai rifornimenti elettricità al carico nei casi in cui la fonte principale è assente o insufficiente per soddisfare compiti. Esempi di tali applicazioni sono i sistemi automobilistici e aeronautici, i gruppi di continuità e di backup, le installazioni ibride.
2. Autonomo. Queste batterie sono destinate a dispositivi in ​​cui la batteria viene scaricata allo stesso modo di una batteria non reversibile convenzionale e quindi ricaricata dopo l'esaurimento. In tali casi, le batterie reversibili vengono utilizzate per comodità, risparmio sui costi (il rifornimento della capacità è più economico della sostituzione) o per alimentare apparecchiature oltre le capacità delle celle galvaniche convenzionali. Le batterie per la maggior parte dell'elettronica di consumo, dei veicoli, delle apparecchiature industriali di trazione e del carico e alcuni dispositivi fissi rientrano in questa categoria.

Oltre alla capacità di ricaricare, batterie ricaricabili, rispetto alla galvanica convenzionale elementi, caratterizzati da elevata densità di potenza e buone prestazioni anche a basse temperature. A seconda della composizione dell'elettrolita, dei materiali degli elettrodi e delle caratteristiche del design, si possono distinguere tre tipi comuni di batterie.

acido di piombo

Queste batterie hanno la più lunga storia di popolarità come alimentatori autonomi. La maggior parte di queste batterie è costituita da piastre o griglie di piombo, in cui una delle griglie (elettrodo positivo) è rivestita con biossido di piombo cristallino. L'elettrolita, costituito da acido solforico, è coinvolto nelle reazioni del piombo e del biossido di piombo per formare solfato di piombo. Il movimento degli ioni di quest'ultimo forma una corrente di scarica. La carica avviene ripristinando la carica di biossido di piombo al catodo mediante la corrente.

Questo tipo di batteria è richiesto da oltre cento anni per le seguenti caratteristiche:

• un'ampia gamma di possibilità sia per la produzione di alte che di basse correnti;
• affidabilità per centinaia di cicli in presenza di controllo di carica;
• costo relativamente basso (il piombo è più economico in termini di capacità rispetto al nichel, cadmio, litio o argento);
• lunga durata per un dispositivo ricaricabile;
• alta tensione di una singola cella;
• facilità di fabbricazione (fusione, saldatura, laminazione).

Una batteria per auto è il più noto alimentatore ricaricabile al piombo. Sono ampiamente utilizzati come veicoli di trazione in furgoni, carrelli elevatori e altri veicoli. Mentre la maggior parte sono portatili, alcuni possono pesare diverse tonnellate.

Batterie alcaline

In questo tipo di batteria, l'energia elettrica è generata da reazioni chimiche in una soluzione alcalina utilizzando vari materiali per elettrodi. Il più famoso di loro:

• Nichel-cadmio. Capace di erogare correnti eccezionalmente elevate, ricaricare centinaia di volte, tollerante agli errori di manutenzione. Ma, rispetto al piombo acido, sono pesanti e hanno una densità energetica limitata. La loro durata dipende direttamente dallo scarico completo in ogni ciclo. Se non lo fai, gli elementi esibiscono il cosiddetto effetto memoria, che si esprime in una diminuzione della loro capacità. Sono ampiamente utilizzati per l'avviamento di motori di aerei, sistemi di supporto vitale di emergenza e in combinazione con fonti di energia solare.
• Nichel-zinco. I più attraenti in termini di sviluppo. Se la loro durata è notevolmente estesa, sistemi di questo tipo potrebbero essere un valido sostituto delle batterie al nichel-cadmio e al piombo.
• Nichel-ferro. Può fornire migliaia di cicli, ma non si ricarica in modo efficace. Quando riempiono il serbatoio, generano notevolmente calore e consumano molta elettricità.
• Nichel-idrogeno. Sono stati inventati principalmente per il programma spaziale statunitense. L'idrogeno in tali sistemi funge da materiale anodico attivo. Sostituisce il nichel cadmio in molte aree grazie all'elevata potenza per volume e alla tolleranza per la qualità del servizio. Utilizzato nei veicoli elettrici.
• Zinco-manganese. Sono utilizzati in sistemi che non richiedono molta elettricità. L'elevata densità di energia e il basso costo di queste batterie incoraggiano ulteriori lavori di ingegneria per migliorarle.
• Zinco argento. Alcuni dei più costosi. Sono utilizzati dove l'elevata densità di potenza, il peso ridotto e il volume ridotto sono critici: in veicoli speciali e unità radar portatili.

Dispositivi ricaricabili al litio

Questi includono batterie con anodo di litio o l'uso di ioni di litio in una reazione elettrochimica. Al momento della loro introduzione, le batterie al litio metallico erano promettenti grazie alla loro impressionante potenziale di miniaturizzazione, ma si è rivelata estremamente instabile a causa del rischio di violente reazioni chimiche all'anodo. Pertanto, il principale successo commerciale di questo tipo di batteria è avvenuto con l'uso di tecnologie agli ioni di litio, la cui essenza fu che, insieme all'abbandono dell'anodo metallico, il ruolo dell'elettrolita fu assunto dai sali complessi litio.

A causa della sua elevata densità di energia e dell'autoscarica trascurabile, questo tipo di batteria è popolare come fonte di alimentazione per l'elettronica di consumo. Il principale svantaggio delle batterie al litio è il rischio di un'accensione imprevista dovuta al surriscaldamento. Anche i più moderni sono dotati di un controllo elettronico aggiuntivo dei processi di carica e scarica per motivi di sicurezza. Le batterie ai polimeri di litio sono più avanzate nella loro classe. Invece di un elettrolita liquido, usano un polimero solido. Queste batterie sono più leggere delle tradizionali batterie agli ioni di litio., ma a causa del prezzo elevato, non potevano sostituirli completamente.

Il progresso non si ferma. Ora ingegneri e tecnologi stanno sviluppando modelli del dispositivo fondamentale delle batterie del futuro, che sostituirà le batterie agli ioni di litio.

L'emergere dei nanomateriali è in grado di dare impulso a un nuovo ciclo di evoluzione delle batterie con una tale incredibile dispositivi moderni con proprietà come ricarica istantanea, elasticità, ultracompattezza e rispetto dell'ambiente sicurezza.