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Pile e accumulatori
Il documento fornisce una panoramica dettagliata su pile e accumulatori, spiegando la differenza tra pile e batterie e introducendo i principi di funzionamento delle pile tramite reazioni di ossidoriduzione. Viene inoltre esaminata l'evoluzione storica delle batterie, con particolare attenzione alle invenzioni di Alessandro Volta e agli sviluppi tecnologici fino ai giorni nostri, inclusi i vari tipi di pile come quelle zinco-carbonio, alcaline, al litio e ad argento. Infine, il documento tratta le caratteristiche delle batterie primarie e secondarie, le loro applicazioni e i problemi legati alla loro tecnologia.
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Pile e accumulatori
- 1. PILE E ACCUMULATORI AlessandroZ., 2^ Ist.Tecnico AFM, anno scolastico 2015/16
- 2. CHE COS’È UNAPILA Una pila è un sistema nel quale l’energia chimica viene trasformata in energia elettrica. La pila viene chiamata anche batteria, perché tutte e due hanno un componente elettrico in grado di fornire energia elettrica, ma si distinguono per il fatto che le pile hanno una disposizione verticale delle diverse celle (una sopra l’altra), mentre le batterie hanno una disposizione in orizzontale (una di fianco all’altra). Un insieme di più batterie disposte in serie prende invece il nome di pacco batteria.
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- 4. CHE COS’È UNACCUMULATORE Un accumulatore è un apparecchio capace di accumulare energia e di restituirla. I gruppi di 2 elementi o celle, collegati elettricamente in serie, vengono chiamati batterie ricaricabili se disposti affiancati in fila, pile secondarie se sovrapposti uno sull'altro. Le caratteristiche fondamentali sono la tensione ai morsetti (espressa in volt) e la capacità (espressa in ampere/ora).
- 5. ALESSANDRO VOLTA Alessandro Volta (1745-1827),fisico italiano, riprese gli studi di Luigi Galvani sulla corrente elettrica. In contrasto con Galvani, che sosteneva l’origine fisiologica dell’elettricità, riuscì a dimostrare che l’energia era prodotta dal contatto di due metalli diversi. Tra questi metalli si crea una differenza di potenziale (ddp) che si misura tra due punti del materiale che, a causa della sua bassa conducibilità elettrica, viene usato come isolante.
- 6. Questa ddp dipende… dalla natura chimica dei due metalli, dalle loro caratteristiche fisiche, dall’isolante nel quale sono posti. Nel 1799 Volta realizza la prima pila voltaica. ALESSANDRO VOLTA
- 7. LE LEGGI DI VOLTA Volta,dai suoi esperimenti con la pila voltaica ricavò tre leggi: prima legge: Il contatto tra due metalli diversi alla stessa temperatura fa sì che si stabilisca una differenza di potenziale caratteristica della natura dei metalli che non dipende dall’estensione del contatto (effetto volta). ❶
- 8. LE LEGGI DI VOLTA secondalegge: In una catena di conduttori metallici diversi tra loro e posti alla stessa temperatura, la differenza di potenziale tra i due metalli estremi è la stessa che si avrebbe se essi fossero a contatto diretto. ❷
- 9. LE LEGGI DI VOLTA terzalegge: tra due metalli della stessa natura si ha una differenza di potenziale se essi sono gli estremi di una catena di conduttori della quale fanno parte due metalli diversi con interposto un conduttore di seconda classe. ❸
- 10. FUNZIONAMENTO DELLA PILA DIVOLTA La pila di Volta consiste in dischetti di rame e zinco alternati (rame-zinco-acido solforico Zn2SO4 -rame-zinco ripetuti) in verticale in una struttura di legno. Vengono collegati il primo e l’ultimo dischetto della colonna con un filo di rame. Tra i dischetti si crea una ddp che produce il passaggio di corrente. Durante il funzionamento lo zinco si consuma mentre il rame no (al limite si ossida).
- 11. FUNZIONAMENTO DELLA PILA DIVOLTA I due metalli a contatto con la soluzione elettrolitica tendono a caricarsi; lo zinco negativamente e il rame positivamente generando una piccola ddp che, misurata con un voltometro, è di circa 0,7V. Sommando i ddp delle diverse coppie di dischi, otteniamo la ddp della pila.
- 12. DA VOLTA AI GIORNINOSTRI 1801 • Volta illustra la sua invenzione a Napoleone Bonaparte e in seguito la presenta all’Istitut National des Sciences et Arts di Parigi 1812 • Giuseppe Zanaboni inventa la prima pila a secco, al biossido di manganese 1816 • pila a tazze di William Wollaston 1836 • pila Daniell 1838 • pila di Grove
- 13. DA VOLTA AI GIORNINOSTRI 1838 • Pila di Bunsen 1844 • per mezzo di batterie viene prodotta energia elettrica per far funzionare il telegrafo 1859 • viene realizzato da Gaston Planté il primo accumulatore 1866 • Georges Leclanché brevetta l’antenato della pila a secco (ma ancora con soluzione acquosa) 1869 • viene inventata la dinamo, che produce elettricità senza utilizzare materiali chimici
- 14. DA VOLTA AI GIORNINOSTRI 1893 • viene inventata la pila Weston 1914 • Charles Féry inventa la pila zinco-aria 1936 • viene ideata una pila a metano da Baur e Preis 1942 • Ruben inventa la pila al mercurio 1950 • Ruben inventa la pila all’ossido di argento • Urry inventala prima batteria alcalina (Urry)
- 15. DA VOLTA AI GIORNINOSTRI 1957 • inizia la commercializzazione delle pile al mercurio 1963 • le celle a combustibile vengono utilizzate per la prima volta su un veicolo spaziale 1970 • inizia la commercializzazione su larga scala delle prime pile non ricaricabili al litio 1970 • viene realizzata la pila alluminio-aria 1990 • vista la loro tossicità, iniziano i divieti per la produzione delle pile al mercurio
- 16. Pila Planté PilaBunsen Pila di GrovePila di Daniell Pila di Zamboni Pila Leclanché Pila Wollaston
- 17. Il principio fisico-chimicosul quale si basa il funzionamento di una pila è una reazione di ossidoriduzione che avviene al suo interno. In essa una sostanza subisce un processo di ossidazione, perdendo elettroni, e l’altra quello di riduzione, acquistandoli. FUNZIONAMENTO DELLA PILA
- 18. Il modo incui è fatta una pila permette di intercettare e sfruttare il flusso di elettroni tra le due sostanze. Questo flusso genera corrente elettrica continua. Il suo potenziale elettrico è dato dalle reazioni che avvengono. Quando queste reazioni raggiungono uno stato di equilibrio, la pila si scarica. FUNZIONAMENTO DELLA PILA
- 19. CLASSIFICAZIONE DELLE PILE Le pilepossono essere classificate in due categorie fondamentali: batterie primarie, che si esauriscono e, dopo che si sono scaricate, devono essere smaltite; batterie secondarie, che sono ricaricabili e riutilizzabili molte volte perché è possibile forzare in senso inverso la reazione di scarica. Alla prima categoria appartengono le comuni pile a secco, alla seconda i cosiddetti accumulatori.
- 20. CLASSIFICAZIONE DELLE PILE Gli accumulatoripossono essere portatili, industriali o per veicoli. Gli accumulatori portatili sono pile, ma come già accennato, sono ricaricabili. Gli accumulatori industriali e per veicoli sono molto diffusi perché comprendono sia gli accumulatori che consentono l’avviamento di auto, moto e imbarcazioni, che quelli utilizzati per scopi industriali, ad esempio nei gruppi di continuità.
- 21. CLASSIFICAZIONE DELLE PILE Tentare diricaricare batterie non ricaricabili (primarie) può provocare un pericoloso surriscaldamento dell‘elettrolita fino a provocarne la fuoriuscita o l'esplosione.
- 22. BATTERIE PRIMARIE Vi sonosei differenti tipologie di pile, suddivise in base alla loro composizione: 1. Zinco-carbone, in grado di generare energia destinata a piccoli apparecchi domestici a basso consumo, quali radio, sveglie, telecomandi, orologi e torce elettriche; 2. Zinco-cloruro, si basa sulla stessa tecnologia della pila zinco-carbone, ma utilizza come elettrolita una soluzione acquosa di cloruro di zinco; 3. Alcalino-manganese, usate per fornire energia ad apparecchi che consumano un elevato quantitativo di corrente. Possiede una capacità triplicata rispetto ad una pila zinco-carbone;
- 23. 4. Litio, utilizzatenell’alimentazione di apparecchi tecnologicamente avanzati, con una durata cinque volte superiore alle pile alcaline; 5. Zinco-aria, impiegate in dispositivi specifici, come apparecchi acustici e pacemaker; 6. Ossido d’argento, riconoscibili dalla loro particolare forma a bottone. BATTERIE PRIMARIE
- 24. In base ailoro componenti, gli accumulatori sono ripartibili in tre categorie: Nichel-cadmio; Nichel-idruro metallico; Ioni di litio BATTERIE SECONDARIE O ACCUMULATORI
- 25. Alcuni tipi dibatterie ricaricabili, se ripetutamente caricate prima che la loro carica sia completamente esaurita, "ricordano" la capacità energetica precedente alla ricarica. Ad esempio se di una batteria completamente carica si utilizza il 60% e successivamente si ricarica, il 40% dell'energia aggiunta non viene riconosciuta e risulta quindi inutilizzabile. Le batterie maggiormente soggette a questo fenomeno sono quelle al nichel-cadmio e, in misura minore, quelle al nichel-idruro metallico. BATTERIE SECONDARIE O ACCUMULATORI
- 26. La prima pilaa secco prodotta fu quella zinco-carbone nel 1886 brevettata da Carl Grassner, che sviluppò un prototipo inventato e brevettato da Georges Leclanché nel 1866. Ha forma cilindrica, ed è costituita da un anodo di zinco (Zn) metallico alla base inferiore e su tutto il resto della superficie cilindrica. Al suo interno una pasta di biossido di manganese (MnO2) e cloruro di ammonio (NH4Cl) insieme alla polvere di carbone. Il catodo è una barretta di grafite immersa in questa pasta e coperta da un cappuccio metallico che sporge dalla base superiore del cilindro. PILE ZINCO-CARBONE E ZINCO-CLORURO
- 27. Per evitare ilcorto circuito tra catodo e anodo vi è una plastica sigillante che divide il cappuccio metallico dal contenitore di zinco. La pila zinco-cloruro si differenzia da quella zinco-carbone perché utilizza come elettrolita una soluzione acquosa di cloruro di zinco. PILE ZINCO-CARBONE E ZINCO-CLORURO
- 29. PILE ZINCO-CARBONE E ZINCO-CLORURO Svantaggi: il contatto tra zinco (Zn) e biossido di manganese (MnO2) accelera il processo di ossidoriduzione e la pila tende a scaricarsi anche a riposo; la parete di zinco, a causa dell’ossidazione, si assottiglia e può perdere il contenuto interno. È per questo che sono state gradualmente sostituite dalle pile alcaline.
- 30. PILE ALCALINE Le pile alcalinefurono inventate negli anni cinquanta da un ingegnere canadese, Lewis Urry, e costituiscono un’evoluzione rispetto alle pile zinco-carbone, essendo anch’esse costituite da biossido di manganese (MnO2) e zinco (Zn), ma a differenza delle precedenti, lo zinco che costituiva il contenitore esterno si trova in polvere intorno all’anodo, che è costituito da una barra inerte. Le polveri sia di biossido di manganese che di zinco sono immerse in una pasta gelatinosa contenente idrossido di potassio (KOH).
- 31. PILE ALCALINE A differenza diquelle zinco-carbone, non si liberano gas e non avvengono strane reazioni. Non si consuma il contenitore della pila e non ci sono perdite. Durano di più. Sono, però, molto più costose. Si utilizzano nelle torce, nei giocattoli, negli strumenti elettrici ed elettronici in genere.
- 32. PILE ZINCO-ARIA La primapila zinco-aria realizzata da Charles Féry nel 1914 ma era particolarmente ingombrante. Negli anni ‘70 vennero ridotte di volume. Oggi hanno le dimensioni di un bottone. Le pile zinco-aria appartengono alla categoria delle celle a combustibile, dove lo zinco è il combustibile e l'ossigeno è il comburente.
- 33. PILE ZINCO-ARIA Utilizzano uncatodo a ossigeno (che riceve elettroni, riducendosi) e un anodo di zinco (che cede elettroni, ossidandosi); analogamente alle altre pile, il movimento di elettroni genera una ddp e quindi una tensione elettrica. Possono essere usate negli apparecchi acustici, di misurazione cardiaca, strumenti elettrici ed elettronici a bassa potenza.
- 34. PILE ZINCO-ARIA Hanno ilvantaggio di essere piccole, di avere un’alta capacità energetica e di avere un basso costo. Gli svantaggi sono che funzionano male in ambiente secco e che sono utilizzabili solo in piccoli strumenti.
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- 36. Le pile allitio non si devono confondere con quelle agli ioni di litio, che sono ricaricabili. Inventate nel 1970 da varie compagnie americane e giapponesi, sono generalmente a bottone o comunque di piccola forma. Le batterie al litio utilizzano un anodo in graffite e vari componenti per il catodo, mentre l’elettrolita è un sale di litio sciolto in un solvente organico anidro. La base inferiore della batteria è composta da una lastra metallica inerte che funge da anodo, mentre la base superiore è costituita da una simile lastra metallica inerte che funziona da catodo. PILE AL LITIO
- 37. Le due lastresono unite da un anello di plastica sigillante che ne impedisce il contatto fisico e quindi il corto circuito. All'interno, la base inferiore è a contatto con uno o più strati di litio (Li) immersi in un solvente organico che non rilascia ioni H+. La base superiore è invece a contatto con un composto ossidante che può diverso a seconda del tipo di batteria, anch'esso immerso nello stesso solvente organico. Le due parti sono divise da un separatore poroso permeabile agli ioni, ma non a composti solidi. Nell'80% delle batterie al litio esistenti in commercio l'ossidante è biossido di manganese (MnO2), e il solvente organico è carbonato di propilene (CH3C2H3O2CO) o 1,2-dimetossietano (C4H10O2), dove si trova disciolto come sale elettrolita (LiClO4). PILE AL LITIO
- 38. PILE AL LITIO Labatteria al litio ha comportato una vera e propria rivoluzione nel campo delle batterie. L’ossidazione del litio ha in assoluto il valore più basso. Inoltre il Li è leggero (6,9 g/mol) e permette di produrre batterie con alti valori di ddp (3 V) ed energia specifica (0,83- 1,01 kj/g di batteria), ma di piccole dimensioni e alto potenziale. Le batterie al litio sono altamente affidabili, durano molto a lungo (10-15 anni) e hanno un basso valore di scarica a riposo (circa 2% all'anno)…
- 39. PILE AL LITIO …inoltre hanno un abbassamento del ddp lento e prevedibile, e sono sigillabili perché non liberano H2 gassoso. Queste ultime due caratteristiche sono molto utili per dispositivi impiantabili per via chirurgica. Gli unici difetti sono i costi elevati, la bassa capacità e l'infiammabilità (data dalla presenza di un solvente organico invece che uno acquoso).
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- 41. Le prime batteriead argento sono entrate in commercio negli anni ’50. Sono, generalmente, a bottone come quelle al litio e strutturate come queste. All’interno si trovano due paste gelatinose alcaline di idrossido di potassio (KOH) a contatto con la base superiore ed inferiore. Queste due paste contengono rispettivamente polvere di zinco (Zn) e polvere di ossido di argento (Ag2O). BATTERIE AD ARGENTO
- 42. La batteria hail vantaggio di essere piccola, ma la presenza dell’argento la rende costosa. Infatti viene utilizzata in aeronautica (militare, civile e spaziale), con dimensioni molto più grandi, e in apparecchiature elettriche ed elettroniche di piccole dimensioni. BATTERIE AD ARGENTO
- 43. ACCUMULATORI NICHEL-CADMIO La prima batteriaal nichel-cadmio fu inventata nel 1899 dallo svedese Waldemar Jungner. Usata spesso in apparecchi portatili dell‘elettronica di consumo e nei giocattoli, utilizza nichel (Ni) e cadmio (Cd) come reagenti chimici. Hanno un catodo di ossido di nichel nero (solfuro di nichel NiSO4) e nichel metallo , un anodo di idrossido di cadmio (Cd(OH)2),un separatore e un elettrolita alcalino (di solito KOH) .
- 44. ACCUMULATORI NICHEL-CADMIO Di solito hannoun contenitore di metallo con una placca sigillante con una valvola di sicurezza auto-sigillante. Gli elettrodi, isolati da ogni altra cosa tramite il separatore, sono arrotolati a spirale dentro al contenitore.
- 45. ACCUMULATORI NICHEL-CADMIO Le batterie nichel-cadmiosono ventilate, con delle valvole che si aprono oltrepassata una certa temperatura interna. Questo meccanismo complesso, non necessario nelle batterie alcaline, contribuisce al loro costo più elevato. Queste batterie contengono cadmio, che è un metallo pesante tossico e quindi richiede attenzione speciale durante il suo smaltimento perché altamente inquinante. Se non usate regolarmente tendono a produrre al loro interno dei dendriti, sottili cristalli conduttori che causano cortocircuiti e spesso la rottura della pila.
- 46. ACCUMULATORI NICHEL-CADMIO Alcune volte idendriti si possono rimuovere attraverso una forte scarica ad alta tensione alle singole celle della pila, ma una volta che il processo di formazione è iniziato difficilmente la pila può essere manutenuta correttamente. Per ridurre questo problema è opportuno conservare le batterie scariche. Sono utilizzate nei telefoni cordless e wireless, nell’illuminazione d’emergenza, così come in molti tipi di utensili elettrici.
- 47. ACCUMULATORI NICHEL-IDRURO METALLICO Sviluppati allafine degli anni 1980, sono simili a quelli NiCd ma l’anodo, che assorbe l'idrogeno, è una lega di metalli anziché cadmio e il nichel è il catodo. Può avere due o tre volte la capacità di un batteria NiCd di pari dimensioni.
- 48. ACCUMULATORI NICHEL-IDRURO METALLICO La legametallica dell’anodo è un miscela di elementi del gruppo delle terre rare: lantanio, cerio, neodimio, praseodimio, nichel, cobalto, manganese, alluminio.
- 49. ACCUMULATORI NICHEL-IDRURO METALLICO Poche usanotitanio, vanadio, zirconio, nichel, cromo, cobalto, ferro, e manganese, perché durano poco. Per questo tipo di soluzione ognuno di questi composti crea una miscela di idruri metallici. Vengono utilizzate sulle auto ibride, per l'elettronica di consumo e su alcuni tram.
- 50. Le prime batterieal litio furono fabbricate nel 1912 da Gilbert Lewis e quelle non ricaricabili furono create nei primi anni ‘70. La batteria ricaricabile agli ioni di litio (Li-Ion) necessitò di altri venti anni di sviluppo prima che fosse sicura abbastanza per essere immessa sul mercato: la prima versione commerciale fu creata dalla Sony nel 1991. ACCUMULATORI AGLI IONI DI LITIO
- 51. L‘anodo è fattocon carbonio, il catodo è un ossido metallico, e l’elettrolita è un sale di litio in solvente organico. Poiché il litio, che potrebbe essere prodotto in condizioni irregolari di ricarica, è molto reattivo e può causare esplosioni, le pile agli ioni di litio solitamente hanno circuiti elettronici protettivi e/o fusibili per evitare l'inversione di polarità, sovraccarichi di tensione e surriscaldamento. ACCUMULATORI AGLI IONI DI LITIO
- 52. È impiegata elettronicadi consumo per laptop e cellulari, ma anche per alcune auto elettriche, con uno dei migliori rapporti peso/potenza, nessun effetto memoria ed una lenta perdita della carica quando non è in uso. Una versione più avanzata è l’accumulatore litio-polimero. ACCUMULATORI AGLI IONI DI LITIO
- 53. ACCUMULATORI AGLI IONI DILITIO Le batterie agli ioni di litio possono essere costruite con forme e dimensioni varie, e sono anche più leggere di quelle fabbricate con altri componenti chimici, perché gli ioni di litio hanno una densità di carica molto elevata ma sono piccoli e mobili e immagazzinabili più rapidamente di quelli di idrogeno. Hanno anche un basso ritmo di auto-scarica. Se non viene utilizzata si degrada molto rapidamente con l'aumento della temperatura di conservazione e dello stato di carica.
- 54. ACCUMULATORI AGLI IONI DILITIO Una pila al Li-ion non va mai scaricata sotto una certa tensione per evitare danni irreversibili, perciò tutti i sistemi che utilizzano queste batterie hanno un circuito che spegne il sistema quando la batteria viene scaricata sotto la soglia predefinita. Può esplodere se surriscaldata o caricata eccessivamente.
- 55. ACCUMULATORI AGLI IONI DILITIO Le batterie Li-ion non durano come quelle al nichel-idruro metallico o al nichel-cadmio e possono essere pericolose se si utilizzano erroneamente. Di solito sono anche più costose. Un problema delle batterie a base di litio è l'approvvigionamento del litio. Disponibile in natura in quantità limitata, richiede processi di estrazione particolarmente complicati e costosi.
- 56. LA PILA ATOMICA Furealizzata da Enrico Fermi nel 1942. È un generatore di energia che prende anche il nome di pila nucleare o reattore nucleare. L'energia prodotta è ottenuta dall'energia nucleare attraverso una reazione a catena.
- 57. LA PILA ATOMICA Ilreattore di Fermi era costituito da una pila di celle di uranio, che produceva neutroni, separati gli uni dagli altri da blocchi di grafite con funzione di moderatore per rallentare i neutroni. Dopo l’utilizzo bellico della bomba atomica nella seconda guerra mondiale, l’energia nucleare viene oggi utilizzata in modo pacifico in molti campi, da quello civile, energetico a quello medico.
- 58. Vanadio Redox Poli-Solfuro Bromuro Zebra(Ni-NaCl) Nichel-Zinco Zolfo-Sodio Stair (ad aria) Alluminio-aria Ferro- Nichel NUOVI TIPI DI BATTERIE
- 59. La produzione dellebatterie richiede il consumo di molte risorse di valore che spesso implicano l’utilizzo di sostanze chimiche pericolose. Fin dagli anni ’20, quindi, si è cercato di recuperare questi elementi rigenerandoli o riciclandoli. Per questa ragione esiste una specifica rete di riciclaggio che si occupa di recuperare dalle batterie usate parte dei materiali di maggiore tossicità e altri materiali di un certo valore. LO SMALTIMENTO
- 60. In Italia ilDL 188/2008 prevede sistemi collettivi e consorzi che raggruppano i produttori di pile e batterie responsabili della gestione dei rifiuti di questi prodotti. Sempre la legge italiana considera le batterie esauste rifiuti pericolosi, e quindi il loro ciclo di smaltimento deve essere tracciato da chi genera il rifiuto a chi lo smaltisce. Chi compie irregolarità può essere perseguito penalmente. LO SMALTIMENTO
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