Batteria ricaricabile

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

Le batteria ricaricabile è una batteria la cui carica può essere completamente ristabilita mediante l'applicazione di un'adeguata energia elettrica. Ne esistono di vari tipi, con diverse capacità elettriche, differenti composizioni chimiche, forma e dimensioni. Sono anche conosciute come pile secondarie, cellule secondarie o accumulatori (abbr. accu/akku). Tentare di ricaricare batterie non-ricaricabili (primarie) può provocare un pericoloso surriscaldamento dell'elettrolita fino a provocarne la fuoriuscita o l'esplosione. Alcuni tipi di batterie ricaricabili sono suscettibili di danni dovuti ad una scarica completa (Pb, Li-ion) mentre altre devono essere ciclicamente scaricate onde evitare un rapido degrado delle prestazioni (effetto memoria in inglese lazy battery, isteresi).

Indice 1 Batterie ricaricabili di uso comune 1.1 Batteria acida al piombo 1.2 Batteria al nichel-cadmio 1.3 Batteria al nichel-metallo idruro 1.4 Batteria alcalina 1.5 Batteria al litio 1.5.1 Accumulatore litio-ione-polimero 1.6 Tabella comparativa delle differenti tecnologie 2 Batterie ricaricabili speciali o sperimentali 2.1 Batteria Vanadio Redox 2.2 Batteria PSB (Poli-Solfuro Bromuro) 2.3 Batteria Z.E.B.R.A. (Ni-NaCl) 2.4 Batteria al Nichel-Zinco 2.5 Batteria Zinco-Bromo (Zn-Br) 2.6 Batteria allo Zolfo-Sodio (Na-S) 3 Altri tipi di accumulatori 3.1 Supercondensatori 3.2 Accumulatore magnetico (SMES) 4 Ricarica 5 Effetto memoria 6 Voci correlate

[modifica] Batterie ricaricabili di uso comune

Nella vita di tutti i giorni utilizziamo solo alcuni tipi di batterie ricaricabili, generalmente nei formati standard AAA, AA, C, D. I notebook, i telefoni cellulari, i lettori musicali etc. utilizzano più spesso batterie in formati non standard e tecnologicamente più evolute. Tutte le automobili ospitano una grossa batteria ricaricabile al piombo che alimenta l'impianto elettrico a 12 V.

[modifica] Batteria acida al piombo

La cella piombo-acida è il costituente fondamentale dei comuni accumulatori per auto. Utilizzano un anodo fatto di polvere di piombo (Pb) spugnosa e un catodo di diossido di piombo (PbO₂).

L'elettrolita è una soluzione di acido solforico (H₂SO₄) 4,5 M. La differenza di potenziale ai poli è di 2,1 V infatti negli accumulatori per automobili troviamo sei celle piombo-acide in serie, che generano una differenza di potenziale complessiva di 12 V.

Negli accumulatori moderni, infine, si utilizza una lega di piombo che inibisce l'elettrolisi dell'acqua, potenzialmente pericolosa in quanto producendo idrogeno e ossigeno gassosi è a rischio di esplosioni.

Reazione chimica all'anodo (ossidazione) Pb + HSO₄^- -> PbSO₄ + H⁺ + 2e^-

Reazione chimica al catodo (riduzione) PbO₂ + 3H⁺ + HSO₄^- + 2e^- -> PbSO₄ + 2H₂O

Reazione completa PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ -> 2PbSO₄ + 2H₂O

Usi: Alimentazione automobili e camion

Vantaggi: Eroga correnti molto elevate, affidabile e di lunga vita, funziona bene a basse temperature

Svantaggi: Il piombo è un metallo pesante ed è tossico. Perdita di capacità dovuta a stress meccanici.

[modifica] Batteria al nichel-cadmio

Utilizzato in molte applicazioni domestiche oggi è stata quasi completamente sostituita da accumulatori del tipo Li-Ion e NiMH. Questo tipo di batteria ha una vita molto lunga (oltre 1500 cicli di carica/scarica completi), ma un densità di energia inferiore e risente dell'effetto memoria. È inoltre altamente nociva per l'ambiente se non correttamente smaltita. L'energia specifica di questo tipo di batterie può raggiungere i 50 Wh/kg (riferiti alla scarica in 5 h) e la potenza fino a 200 W/kg.

Reazione completa 2 NiO(OH) + Cd + 2 H₂O -> 2 Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂

Questa tecnologia è stata vietata a decorrere dal 1 luglio 2006 in base alla direttiva europea 2002/95/CE del Parlamento Europeo e del Consiglio del 27 gennaio 2003 relativa alla limitazione all'utilizzo di alcune sostanze pericolose nelle attrezzature elettriche ed elettroniche.

Usi: Apparecchi elettronici, autotrazione.

Vantaggi: consente oltre 1500 cicli di carica/scarica, si ricarica velocemente, economica.

Svantaggi: Notevole autoscarica, effetto memoria, contiene metalli pesanti tossici.

[modifica] Batteria al nichel-metallo idruro

Le batterie NiMH sono un'evoluzione di quelle nichel-cadmio (NiCd) e rispetto a queste ultime presentano il vantaggio di avere una densità energetica (Wh/kg o Wh/dm³) del 30-40% in più, e di aver eliminato l'uso del cadmio, un metallo pesante pericoloso. Il processo elettrochimico di carica, al polo negativo costituito da una lega metallica generalmente di nichel e terre rare (per esempio il LaNi₅). In particolare, le leghe metalliche impiegate sono in grado di immagazzinare e successivamente rilasciare una quantità d'idrogeno un migliaio di volte superiore al proprio volume. L'elettrolita impiegato è una soluzione diluita di idrossido di potassio (KOH) cui sono aggiunti, in minor quantità, altri composti chimici per migliorare le prestazioni della batteria. Il separatore tra anodo e catodo, che impedisce il contatto elettrico tra gli elettrodi, ma ne permette un efficiente scambio ionico, è costituito da un sottile film a base di nylon. La differenza di potenziale ai poli è di 1,2 V. Le batterie al nichel-metallo idruro (NiMH) stanno ormai sostituendo le vecchie batterie al nichel-cadmio (NiCd), più tossiche e meno efficienti. La massima energia che può essere immagazzinata nelle comuni batterie misura AA è attualmente (nel 2006) di circa 13 kJ (3000 mAh per 1,2 V). Verso le fine del 2006 un produttore ha messo in commercio delle batterie nichel-metallo idruro con delle migliorie al catodo che permette di ottenere una autoscarica di solo 10% dopo 6 mesi e del 15% dopo 12 mesi.

Reazione chimica all'anodo (ossidazione) MH + OH^- -> M + H₂O + e^-

Reazione chimica al catodo (riduzione) NiO(OH) + H₂O + e^- -> Ni(OH)₂ + OH^-

Reazione completa MH + NiO(OH) -> M + Ni(OH)₂

Usi: Apparecchiature elettroniche portatili varie, tra cui telefoni cordless, cellulari, videocamere. Lentamente sostituita da quella al litio nei formati non standard.

Vantaggi: Leggera e potente.

Svantaggi: Si scarica anche se non utilizzata, leggero effetto memoria (lazy battery).

[modifica] Batteria alcalina

Contrariamente a quanto si pensa le batterie alcaline comunemente definite non ricaricabili possono essere parzialmente ricaricate purché il caricabatterie sia specificamente concepito per quest'impiego. Certamente, sopporteranno un numero di cicli completi limitato a qualche decina e a patto che si resti nelle condizioni di reversibilità della loro chimica, ovvero la tensione della cella non scenda al di sotto di 1,25 volt ma ricaricandole spesso si può arrivare a centinaia di cicli parziali. Tuttavia questa possibilità è molto trascurata dal grande pubblico, anche perché la maggior parte dei caricabatterie è adatta soltanto a ricaricare accumulatori Ni-Cd o Ni-MH.

Esistono alcuni tipi di batterie alcaline appositamente concepite per essere ricaricate e il loro grande vantaggio è dato principalmente dall'irrisoria autoscarica se paragonata a quella degli altri accumulatori e questo fa si che trovino largo impiego in apparecchiature delicate o che debbano privarsi a lungo di manutenzione. Cercare di ricaricare batterie alcaline non appositamente progettate per tale funzionamento è assolutamente sconsigliato vista la possibilità di surriscaldamento ed esplosione delle stesse.

Usi: Apparecchiature elettroniche varie, microelettronica.

Vantaggi: Potente, autoscarica pressoché nulla.

Svantaggi: Possibilità di ricarica limitata, la tensione non deve scendere mai sotto gli 1.25 V.

[modifica] Batteria al litio

Gli accumulatori al litio hanno densità energetica, numero di cicli di carica-scarica e prestazioni complessive parecchio maggiori rispetto a quelle possedute dalle batterie commerciali precedentemente descritte, ma anche costi più elevati. Vengono usati nei laptop, nei moderni telefoni e praticamente in tutti i dispositivi portatili ad alta tecnologia e non risentono dell'effetto memoria.

Questa batteria utilizza soluzioni non acquose di solventi a elevata costante dielettrica come il carbonato di propilene, carbonato di etilene, dimetilsolfossido, ecc., nei quali vengono disciolti sali di litio (LiPF₆, LiBF₄, LiClO₄ e LiAsF₆) e successivamente aggiunti altri composti organici (tetraidrofurano, dietilcarbonato ecc.) per incrementare la conducibilità ionica delle soluzioni. All'anodo abbiamo degli atomi di litio “immersi” in strati di grafite, il catodo è un suo sale (solitamente LiMn₂O₄) e l'elettrolita è una soluzione di perclorato di litio (LiClO₄) in etilencarbonato (C₂H₄CO₃), un solvente organico. La differenza di potenziale ai poli è di 3,7 V.

[modifica] Accumulatore litio-ione-polimero

La variante ai polimeri di litio ha caratteristiche simili, ma ha una densità di energia un poco più bassa e un ciclo di vita leggermente inferiore. È costituita da polimeri litio conduttori, ottenuti inglobando soluzioni di sali di litio in opportune matrici polimeriche. Il suo grande vantaggio è dato dalla possibilità di poter creare batterie di qualsiasi forma e dimensione e, fatto non secondario, più sicure, in quanto l'elettrolita allo stato solido in caso di rottura accidentale delle batterie non fuoriuscirebbe, scongiurando così possibili danni al caricabatteria o all'apparecchio utilizzatore.

Reazione chimica all'anodo (ossidazione) Li_x -> xLi⁺ + xe^-

Reazione chimica al catodo (riduzione) Li_1-xMn₂O₄ + xLi⁺ + xe^- -> LiMn₂O₄

Reazione completa Li_x + Li_1-xMn₂O₄ -> LiMn₂O₄

Usi: Apparecchiature elettroniche moderne, computer portatili, cellulari, videocamere.

Vantaggi: Estremamente potente e leggera: solo 7 grammi di metallo producono fino ad una mole di elettroni. Nessun effetto memoria.

Svantaggi: Piuttosto costosa, il solvente può essere infiammabile.

[modifica] Tabella comparativa delle differenti tecnologie

Tipo	Densità di energia	Tensione di una cella	Durata di vita (cicli di carica)	Tempi di carica	Auto scarica mensile	Tensione minima di ricarica (per cella)
Piombo	30-50 Wh/kg	2 V	200-300	8-16 h	5 %	2,3 V
Ni-Cd	48-80 Wh/kg	1,25 V	1 500	1 h	> 20 %	1,25 V
Ni-MH	60-120 Wh/kg	1,25 V	300-500	2-4 h	> 30 %	1,25 V
Alcalina	80-160 Wh/kg	1,5-1,65 V	100	1-16 h (secondo la capacità)	< 0,3 %	a seconda della batteria
Li-ion	110-160 Wh/kg	3,7 V	500-1 000	2-4 h	10 %	3,7 V
Li-Po	100-130 Wh/kg	3,7 V	300-500	2-4 h	10 %	3,7 V

[modifica] Batterie ricaricabili speciali o sperimentali

Esistono tipi di batterie ricaricabili concepite e realizzate per impieghi particolari, quali l'autotrazione, lo stoccaggio energetico o l'impiego nell'industria navale o aerospaziale. Raramente tali batterie hanno usi domestici, e per la scarsa praticità o per l'alto costo rimangono confinate ad usi speciali o industriali.

[modifica] Batteria Vanadio Redox

Questo tipo di batterie, ancora in stato sperimentale, impiegano le coppie redox del vanadio (V²⁺/V³⁺ al catodo e V⁴⁺/V⁵⁺ all'anodo), presenti nell'elettrolita in soluzione con acido solforico. Durante i cicli di carica/scarica vengono scambiati, tramite una membrana polimerica permeabile, gli ioni di idrogeno H⁺. La tensione delle celle è di 1,4-1,6 volt. Ha un'altissima efficienza, che in situazioni ottimali può raggiungere l'85%. La capacità di accumulo degli attuali impianti-pilota è di circa 30 Wh/kg; altri prototipi in fase di R&S hanno capacità di 50 Wh/kg.

Usi: Immagazzinamento di energia su larga scala.

Vantaggi: Efficienza elevata, numero di cicli carica/scarica e vita virtualmente illimitati.

Svantaggi: Sono tra le batterie in avanzato sviluppo più promettenti, ma difficilmente potranno diffondersi nella forma di accumulatori portatili.

[modifica] Batteria PSB (Poli-Solfuro Bromuro)

Questa batteria ricaricabile è composta da elettroliti in soluzione salina, il bromuro di sodio e il polisolfuro di sodio, separati da una membrana polimerica permeabile agli ioni + sodio. Ogni cella produce circa 1,5 V, funziona a temperatura ambiente ed ha un'efficienza netta del 75% circa. Sono in previsione installazioni sperimentali di 120 MWh.

Usi: Stoccaggio su larga scala, utensili elettrici ad alto assorbimento.

Vantaggi: efficienza e numero di cicli elevati, funziona a temperatura ambiente.

Svantaggi: pericolosità dell'elettrolita.

[modifica] Batteria Z.E.B.R.A. (Ni-NaCl)

Questo tipo di batteria è costituito da celle funzionanti a caldo, racchiuse in un contenitore termico. Deve essere dotato di un sistema a microprocessore, il quale ne gestisce il corretto funzionamento. Ha una densità di energia molto elevata, ma il suo utilizzo è orientato principalmente all'immagazzinamento o all'autotrazione. Z.E.B.R.A. è un acronimo inglese che significa: Zero Emission Battery Research Activities.

Usi: Autotrazione.

Vantaggi: particolarmente efficiente, alto numero di cicli carica/scarica, materiali non tossici.

Svantaggi: richiede una temperatura d'esercizio di ca. 260°C; si scarica completamente in 6-8 giorni.

[modifica] Batteria al Nichel-Zinco

Particolarmente adatta, per via del suo peso ridotto e per la grande potenza erogabile, all'uso su veicoli elettrici, quali scooter o piccole automobili.

Usi: Autotrazione.

Vantaggi: alta densità energetica, raggiunge il 60% di carica in 1 ora, materiali non tossici, nessun effetto memoria.

Svantaggi: cicli di carica ridotti (600-800), fase di rodaggio vitale.

[modifica] Batteria Zinco-Bromo (Zn-Br)

In questa batteria il flusso dei due elettroliti è separato da una membrana in poliolefina microporosa, mentre gli elettrodi sono formati da un composto carbonio-plastico. Nel ciclo di scarica si forma bromuro di zinco, generando 1,8 V per cella mentre in fase di carica lo zinco metallico si deposita sull'elettrodo negativo e il bromo in soluzione si deposita sul lato opposto della membrana, reagendo con ammine organiche e ridepositandosi sul fondo. Ha un'efficienza del 75%.

Usi: Autotrazione, stoccaggio.

Vantaggi: alta densità energetica, nessun effetto memoria.

Svantaggi: Il bromo è un elemento pericoloso.

[modifica] Batteria allo Zolfo-Sodio (Na-S)

In questa batteria troviamo zolfo liquido all'elettrodo positivo mentre in quello negativo sodio liquido, separati da un elettrolito di ceramica β-allumina allo stato solido, il quale permette unicamente agli ioni Na⁺ di passarvi attraverso, unendosi allo zolfo e formando polisolfuri di sodio.

fase di scarica 2Na + 4S = Na₂S₄

Tale processo è reversibile in quanto l'applicazione di energia elettrica libera gli ioni positivi del polisolfuro di sodio attraverso l'elettrolito per riformare sodio elementare. Ogni cella ha circa 2 V di tensione e nonostante funzioni a temperature dell'ordine dei 300°C ha un'efficienza massima dell'89%.

Usi: Stoccaggio, autotrazione.

Vantaggi: altissima efficienza, bassa tossicità dei componenti.

Svantaggi: Funziona ad alte temperature.

[modifica] Altri tipi di accumulatori

• Batteria Alluminio-Aria - in via di sviluppo; potenzialmente ha venti volte la densità d'energia delle migliori batterie ricaricabili ma come batteria secondaria (ricaricabile) necessita di ulteriori sviluppi, in quanto non si è ancora riusciti a superare il rendimento del 50%, ben al di sotto del massimo teorico. Come batteria primaria (non ricaricabile) è interessantissima: eccezionale densità di energia, compatibilità ambientale e basso costo. Ideale e già utilizzata sperimentalmente per rispondere temporaneamente a picchi di consumo in reti elettriche.
• Batteria al ferro-nichel - Antenata della batteria al nichel-cadmio è oggi totalmente in disuso. Fu ideata da Thomas Edison all'inizio del secolo scorso ed ebbe un buon successo fino agli anni '40. Ha un bassissimo rendimento in fase di carica e tende a produrre idrogeno gassoso, assai infiammabile. Tra gli aspetti positivi c'è se non altro l'ottima eco-compatibilità.

[modifica] Supercondensatori

Un discorso a parte è da farsi per i supercondensatori, particolari condensatori che hanno la caratteristica di accumulare una quantità di carica elettrica eccezionalmente grande rispetto ai condensatori tradizionali: anche oltre 10 F (farad). I supercondensatori sono prevalentemente utilizzati come accumulatori di energia elettrica. Rispetto agli accumulatori chimici presentano il vantaggio di poter essere caricati o scaricati istantaneamente, garantendo così un'elevatissima potenza specifica. Lo svantaggio più rilevante, sempre rispetto agli accumulatori chimici, è la bassa energia immagazzinata.

[modifica] Accumulatore magnetico (SMES)

La SMES, acronimo di Superconducting Magnet Energy Storage e un sistema magnetico di accumulo ed e formato da una bobina superconduttrice collegata alla rete tramite un convertitore alternativo-continuo reversibile. La bobina è alimentata dal raddrizzatore che permette di conservare l'energia sotto la forma magnetica: ½ L I² (vedi induttanza e energia immagazzinata in un induttore).

In caso di necessità, l'energia conservata nella bobina superconduttrice può essere istantaneamente ritrasferita all'impianto tramite l'invertitore. È una tecnologia ancora relegata alle grosse potenze anche se non più sperimentale. Da la possibilità di accumulare istantaneamente grosse correnti e di rilasciarle altrettanto velocemente, per sopperire ad esempio a cali di energia o brevi blackout in rete.

[modifica] Ricarica

L'energia usata per ricaricare le batterie ricaricabili proviene principalmente dalla rete domestica attraverso l'utilizzo di adattatori, dall'impianto elettrico a 12 V dell'automobile, da pannelli fotovoltaici o, nel caso d'impianti industriali o di telecomunicazione, da dispositivi più complessi quali le stazioni di energia. In alcuni dispositivi elettrici o elettronici, le batterie ricaricabili sono talvolta sostituite da generatori meccanici, quali piccole dinamo o generatori piezoelettrici. Durante la ricarica di una batteria ricaricabile è necessario rispettare la polarità elettrica, qualora questo non avvenga potrebbero verificarsi danni alla batteria come la fuoriuscita di elettrolita fino ad arrivare al surriscaldamento e all'esplosione della stessa, con possibili danni al caricabatteria o al dispositivo utilizzatore. Batterie con caratteristiche elettriche o con livelli di carica differenti non dovrebbero essere mai ricaricate contemporaneamente senza aver prima provveduto al loro completo scaricamento.

[modifica] Effetto memoria

Alcuni tipi di batterie ricaricabili, se ripetutamente caricate prima che la loro carica sia completamente esaurita, "ricordano" la capacità energetica precedente alla ricarica, ovvero, se di una batteria completamente carica si utilizza al 60% e successivamente si sottopone a ricarica, il 40% dell'energia somministrata 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-metallo idruro. Nelle prime il fenomeno è dovuto alla crescita delle dimensioni dei cristalli di cadmio, diminuendo così la superficie interessata dalle reazioni elettrochimiche. In alcuni casi è possibile che i cristalli crescano tanto da penetrare il separatore e cortocircuitare i due elettrodi, rendendo la batteria inservibile. L'effetto della crescita delle dimensione dei cristalli è più pronunciato se la batteria viene lasciata sotto carica per giorni, o viene ripetutamente scaricata in maniera incompleta. Per evitare quest'effetto bisogna ciclare (caricare e scaricare) completamente la batteria almeno una volta ogni due o tre settimane.

Nelle batterie NiMH l'abbassamento di potenziale di scarica si ha in seguito alla modificazione della struttura cristallina dell'idrossido di nichel, il quale passa dalla forma beta a quella gamma; quest'ultima ha un potenziale d'elettrodo di circa 50 mV inferiore alla forma beta e come risultato si ha una riduzione della capacità della batteria, tale effetto è detto anche lazy battery. Anche in questo caso il problema può essere risolto ciclando periodicamente la batteria.

Nelle batterie al litio tale effetto non si verifica in quanto non si ha alcuna modificazione delle dimensioni dei grani o della struttura cristallina dei materiali elettrodici.

[modifica] Voci correlate

• Pila (chimica)
• Pila a combustibile
• Accumulatore nichel-metallo idruro
• Accumulatore nichel-cadmio
• Accumulatore litio-ione
• Accumulatore litio-polimero