Accumulatore di carica elettrica

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Pile di diverso tipo (in senso orario da in basso a sinistra): due 9-volt, due "AA" (stilo), una "D" (torcia), pila di un telefono cordless, pila di una telecamera, pila di una radio portatile, una "C" (mezza torcia) e due "AAA" (ministilo.)

Gli accumulatori di carica elettrica o batterie ricaricabili o pile secondarie o accumulatori (abbreviato in accu/akku) sono batterie la cui carica può essere completamente ristabilita mediante l'applicazione di un'adeguata energia elettrica.

Le caratteristiche fondamentali sono la tensione ai morsetti (espressa in volt) e la capacità (espressa in ampereora).

Alcuni tipi di batterie ricaricabili sono suscettibili di danni dovuti a 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). Tentare di ricaricare batterie non-ricaricabili (primarie) può provocare un pericoloso surriscaldamento dell'elettrolita fino a provocarne la fuoriuscita o l'esplosione.

Ne esistono di vari tipi, con diverse capacità elettriche, differenti composizioni chimiche, forma e dimensioni. Tra le batterie secondarie (o accumulatori) si annoverano:

  • Batteria piombo-acido: comunemente usata negli autoveicoli, nei sistemi d'allarme e anti-black-out. Di solito impiegata come "A" o batteria "umida" in apparecchiature radio a valvola. Il maggior vantaggio di quella chimica è il suo basso costo: una batteria grande (es. 70 Ah) è relativamente economica, se confrontata alle altre chimiche. Comunque, questa batteria chimica ha meno intensità d'energia delle altre batterie chimiche conosciute oggi (vedi sotto).
  • Batteria agli ioni di litio: pila chimica relativamente moderna che offre una densità di carica molto alta (una piccola batteria Li-ion conta molta energia elettrochimica) e che non soffre di effetto memoria. Sono largamente utilizzate in sistemi laptop, macchine fotografiche digitali, alcuni lettori mp3 e la maggior parte dei dispositivi digitali portatili.
  • Batteria agli ioni di litio-polimero: presenta proprietà simili alla pila Li-ione, ma una densità di carica leggermente inferiore. Può essere facilmente adattata alle caratteristiche di oggetti particolari, come le batterie ultra sottili (1 mm di spessore) degli ultimi PDA. Se costruita appositamente è capace di erogare molta più energia delle batterie Li-ion, ed è quindi usata spesso negli aeromodelli elettrici.
  • Batteria sodio-zolfo
  • Batterie nichel-ferro
  • Batteria nichel-metallo idruro (NiMH)
  • Batterie nichel-cadmio (Ni-Cd): impiegate in molte applicazioni domestiche, stanno oggi scomparendo in quanto surclassate dalle pile Li-ion e NiMH. Con questa pila si può ottenere un alto numero di cicli di ricarica (oltre 1500) ma a discapito della densità di carica, rispetto alle più attuali batterie. Le celle al Ni-Cd che utilizzano tecnologia antiquata risentono di "effetto memoria", anche se in quelle più moderne tale effetto è stato notevolmente ridotto. Inoltre il cadmio è un metallo pesante e tossico.
  • Batteria sodio-metallo cloruro
  • Batteria nichel-zinco
  • Batteria a sale fuso
  • Batteria argento-zinco: fu il dispositivo a più alta densità di energia (precedentemente allo sviluppo delle tecnologie al litio) e il suo utilizzo primario riguardò l'ambito aeronautico. L'aumento mondiale dei prezzi dell'argento rese l'utilizzo di questa batteria non più conveniente. Fu utilizzata per le ultime missioni lunari Apollo. Attualmente la si usa ancora sui sottomarini diesel-elettrici, quali il tipo U-212.

Il primo accumulatore fu quello acido al piombo, nel 1859. Tuttavia fino all'invenzione della dinamo (1869) esso fu piuttosto inutile dato che l'unico modo per ricaricarlo era tramite altre pile.

Batterie ricaricabili di uso comune[modifica | modifica wikitesto]

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 ecc. 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 14,4 V (12 V nominali).

Batteria piombo-acido[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Batteria piombo-acido.

La batteria piombo-acido è il costituente fondamentale dei comuni accumulatori per auto. La differenza di potenziale (∆E) a circuito aperto e a piena carica ai poli di una singola cella piombo-acido è di 2,12 V; gli accumulatori per automobili sono costituiti da sei celle piombo-acido in serie, che generano una differenza di potenziale complessiva di 12,70 V. Tali valori scendono, poco dopo il funzionamento, a 2,0 V (singola cella) e 12 V (sei celle).

Nello stato di carica, ogni cella contiene un anodo di Piombo (Pb) e un catodo di diossido di piombo (PbO2) in una soluzione elettrolitica acquosa contenente acido solforico (H2SO4) a una concentrazione di 4,5 M. L'applicazione della legge di azione di massa di H2SO4, considerando le due costanti Ka1 e Ka2 dell'acido, porta a calcolare [SO42−] = 1 10−2 M.

All'anodo avviene la semireazione di ossidazione:

Pb → Pb2+ + 2e

La presenza dello ione SO42− (1 10−2 M) fa precipitare lo ione Pb2+ che si sviluppa, essendo il solfato di piombo (PbSO4) un sale insolubile. Inoltre la presenza di un'alta concentrazione dello ione HSO4 (4,5 M) permette allo ione SO42− di rigenerarsi dopo la precipitazione, mantenendo una concentrazione molare costante di 1 10−2 M. Dal prodotto di solubilità (KPS) di PbSO4 (1,8 10−8) è possibile calcolare la concentrazione molare dello ione Pb2+ durante il funzionamento della batteria: [Pb2+] = 1,8 10−6 M. L'applicazione dell'equazione di Nernst alla coppia redox dell'anodo (Pb2+/Pb) porta a determinare il suo potenziale di riduzione (E), equivalente a 1,70 V (E° = 1,455 V; E = 1,70 V).

Al catodo avviene la semi-reazione di riduzione:

PbO2 + 4H+ + 2e → Pb2+ + 2H2O

Anche in questo caso la presenza dello ione SO42− fa precipitare lo ione Pb2+ che si sviluppa: [Pb2+] = 1,8 10−6 M. L'applicazione dell'equazione di Nernst alla coppia redox del catodo (PbO2/Pb2+) porta a determinare il suo potenziale di riduzione (E), equivalente a −0,30 V (E° = −0,13, E = −0,30 V).

La differenza di potenziale tra anodo e catodo (∆E) in queste condizioni è quindi di 2,0 V, corrispondente a 12 V considerando le sei celle in serie.

L'acido solforico, attraverso la formazione dello ione SO42− a una concentrazione alta e costante, permette ai potenziali di riduzione di catodo e anodo (E) di essere, rispettivamente, più alto di 0,26 V e più basso di 0,17 V e di assumere valori costanti durante il funzionamento della batteria. Di conseguenza ∆E risulta alto e costante (2,0 V).

Usi: alimentano l'impianto elettrico di motocicli, automobili e camion.
Vantaggi: eroga correnti molto elevate, affidabile e di lunga vita, basso costo, funziona bene anche a basse temperature.
Svantaggi: il piombo è un metallo pesante ed è tossico. Perdita di capacità dovuta a stress meccanici. Non adatta a scariche troppo prolungate a causa del fenomeno della solfatazione. Le dimensioni e il peso ne limitano l'utilizzo nelle piccole applicazioni.

Ricarica di accumulatori piombo piombo-gel[modifica | modifica wikitesto]

In una prima fase, l'accumulatore viene caricato a una corrente costante pari a circa il 10% o meno della capacità della batteria. La carica continua fino a quando ogni cella raggiunge i 2,4V di potenziale. La seconda fase di carica, è effettuata a tensione costante (14,4V per accumulatori a 6 celle), la carica termina quando la corrente assorbita scende a pochi mA (circa lo 0,2% della capacità dell'accumulatore).

Batteria al nichel-cadmio[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Accumulatore nichel-cadmio.
Tre modelli di accumulatori nichel-cadmio.

Utilizzata 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 una 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:[1]
2 NiO(OH) + Cd + 2 H2O → 2 Ni(OH)2 + Cd(OH)2

Questa tecnologia è stata vietata a decorrere dal 1º 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.

Batteria al nichel-metallo idruro[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Accumulatore nichel-metallo idruro.
batterie ricaricabili tipo AA al nichel-metallo idruro (NI-MH)

Le batterie al nichel-metallo idruro (NiMH) stanno ormai sostituendo le vecchie batterie al nichel-cadmio (NiCd), più tossiche e meno efficienti. All’anodo abbiamo l’ossidazione dell’idrogeno assorbito su leghe metalliche di nichel, al catodo abbiamo la riduzione del nichel (III) e l'elettrolita è sempre una pasta basica di idrossido di potassio.

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. La massima energia che può essere immagazzinata nelle comuni batterie misura AA è attualmente (nel 2006) di circa 13 kJ (3000 mA h 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 minore, grazie a successivi migliormento è arrivato a una autoscarica di solo 10 % dopo 1 anno e del 30% dopo 5 anni. Questo tipo di batteria è denominato Low-self-discharge(LSD) oppure Ready to use.

MH + OH → M + H2O + e
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 (problema risolto con le LSD), leggero effetto memoria (lazy battery).

Batteria alcalina[modifica | modifica wikitesto]

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 sì 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.

Batteria agli ioni di litio[modifica | modifica wikitesto]

Accumultatori Li-Po di diverse capacità

Gli accumulatori al litio, da non confondersi con le batterie al litio primarie (non ricaricabili) sono costituiti da un anodo in strati di grafite dove sono "immersi" atomi di litio, mentre il catodo è un sale di litio (solitamente LiMn2O4) e l'elettrolita è una soluzione di perclorato di litio LiClO4 in etilencarbonato C2H4CO3, un solvente organico.

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 permittività elettrica 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.

Lixx Li+ + x e
Li1−xMn2O4 + x Li+ + x e → LiMn2O4
  • Reazione completa
Lix + Li1−xMn2O4 → LiMn2O4
Usi: apparecchiature elettroniche moderne, computer portatili, cellulari, videocamere.
Vantaggi: estremamente potente e leggera: solo 7 grammi di metallo producono fino a una mole di elettroni. Nessun “effetto memoria”.
Svantaggi: piuttosto costosa, il solvente può essere infiammabile. Se non sono applicati alcuni accorgimenti possono esplodere in modo pericoloso.

Accumulatore litio ione-polimero[modifica | modifica wikitesto]

La variante litio-polimero ha caratteristiche simili, la densità energetica delle batterie Li-Poly è maggiore di più del 20% rispetto a una Litio Ione classica ma un ciclo di vita leggermente inferiore. È costituita da materiali compositi litio-polimero conduttori, ottenuti inglobando soluzioni di sali di litio in opportune matrici polimeriche. Il suo grande vantaggio è dato dalla possibilità di 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.

Lixx Li+ + x e
Li1-xMn2O4 + xLi+ + x e → LiMn2O4
  • Reazione completa
Lix + Li1−xMn2O4 → LiMn2O4
Usi: apparecchiature elettroniche moderne, computer portatili, cellulari, videocamere, modellismo dinamico.
Vantaggi: estremamente potente e leggera: solo 7 grammi di metallo producono fino a una mole di elettroni. Nessun effetto memoria.
Svantaggi: piuttosto costosa, molto pericolosa, il solvente può essere infiammabile.

Accumulatore litio-ferro-fosfato[modifica | modifica wikitesto]

Gli accumulatori litio-ferro-fosfato (LiFePO4) furono scoperti da John Goodenough nel 1997.

Tabella comparativa delle differenti tecnologie[modifica | modifica wikitesto]

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) Effetto memoria
Piombo 30-50 Wh/kg 2,4 V 200-300 8-16 h 5 % 2,3 V  ?
Ni-Cd 48-80 Wh/kg 1,25 V 1500 1 h > 20 % 1,25 V Si
Ni-MH 60-120 Wh/kg 1,25 V 300-500 2-4 h > 30 % 1,25 V parziale
Ni-MH LSD 60-120 Wh/kg 1,25 V 1800 2-4 h < 2 % 1,25 V parziale
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 500-1000 2-4 h 10 % 3,7 V No
Li-Po 130-200 Wh/kg 3,7 V 300-500 2-4 h 10 % 3,7 V No

Batterie ricaricabili speciali o sperimentali[modifica | modifica wikitesto]

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 a usi speciali o industriali.

Batteria Vanadio Redox[modifica | modifica wikitesto]

Questo tipo di batteria, ancora sperimentale, impiega 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.

Batteria PSB (Poli-Solfuro Bromuro)[modifica | modifica wikitesto]

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.

Batteria ZEBRA (Ni-NaCl)[modifica | modifica wikitesto]

ZEBRA, dall'acronimo inglese zero emission battery research activities, è un 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; il suo utilizzo è orientato principalmente all'immagazzinamento di energia o all'autotrazione.


Usi: Autotrazione, UPS leggeri e peak shaving.
Vantaggi: particolarmente efficiente, alto numero di cicli carica/scarica, materiali non tossici.
Svantaggi: richiede una temperatura d'esercizio di circa 245 °C; si scarica completamente in 6-8 giorni. La necessità di mantenere la temperatura, abbassa l' efficienza in termini di bilancio energetico, quando è inattiva.

Batteria al nichel-zinco[modifica | modifica wikitesto]

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.

Batteria zinco-bromo (Zn-Br)[modifica | modifica wikitesto]

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.

Batteria allo zolfo-sodio (Na-S)[modifica | modifica wikitesto]

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.

Altri tipi di accumulatori[modifica | modifica wikitesto]

Batteria STAIR (ad aria)[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi STAIR.

Questo tipo di accumulatore è in fase di studio in Scozia, all'Università di St Andrews: si basa su un elettrodo di carbone poroso, che riesce ad assorbire l'ossigeno che lo circonda; con questa interazione le batterie possono fornire energia elettrica.[2][3]

Batteria alluminio-aria[modifica | modifica wikitesto]

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[modifica | modifica wikitesto]

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 quaranta. 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. Utilizzate sui treni.

Supercondensatori[modifica | modifica wikitesto]

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. Una tecnologia più recente, gli "ultracondensatori" permette di accumulare molta più energia. Si arriva a capacita' di 3000F a basse tensione (2,7 V) e capacità di 63 F a 48 V. La tecnologia è ancora svantaggiosa in termini di spazio, peso e costi rispetto agli accumulatori chimici, ma può essere di ausilio accoppiata ad essi per gli spunti e per diminuire le sollecitazioni ed i cicli di carica scarica, aumentandone la durata.

Batterie a volano (flywheels)[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi volano (batteria).

Le batterie a volano sono macchine elettriche che possono trasformare energia elettrica in energia meccanica (energia cinetica) e viceversa. Possono conservare l'energia per lungo tempo ed essere ricaricate rapidamente. I rotori vengono fatti ruotare a velocità molto elevata, da centinaia a migliaia di giri al secondo e per questo talvolta vengono indicati come supervolani. Per limitare al massimo le perdite – anche aerodinamiche – i rotori delle batterie a volano lavorano sotto vuoto, e ruotano sospesi su cuscinetti magnetici senza attrito meccanico. L'energia meccanica accumulata nella massa inerziale del rotore può essere convertita in tempi brevissimi in una tensione continua, oppure in una terna di tensioni alternate alla frequenza desiderata. L'uso del volano per accumulare energia è molto interessante, poiché può offrire un migliore rapporto capacità energetica/massa rispetto alle batterie chimiche, un output maggiore, una resa migliore, una densità di carica superiore e un tempo di ricarica inferiore.

Attualmente la tecnologia della batteria a volano è la più performante allo stato dell'arte permette maggiori densità di carica, output istantaneo, efficienza, ciclo vitale e mantenimento di carica, e allo stesso tempo minori tempi di ricarica, manutenzioni e dispersioni, rispetto ad altre tipologie di accumulo.

Accumulatore magnetico (SMES)[modifica | modifica wikitesto]

La SMES, acronimo di Superconducting Magnet Energy Storage è un sistema magnetico di accumulo ed è formato da una bobina superconduttrice collegata alla rete tramite un convertitore alternata-continua 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 (da 1 MVA in su) anche se non più sperimentale. Dà 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. Il sistema può essere associato a un trasformatore con il secondario posto in serie alla linea che alimenta il carico da proteggere, in tale configurazione si possono coprire buchi di rete brevi su impianti di potenza più elevata di quella dello SMES. Tale configurazione è stata usata ad Agrate Brianza nella fabbrica STMicroelectronics.

Batterie per trazione[modifica | modifica wikitesto]

Un accumulatore per autoveicoli

Le batterie per trazione (appartenenti alla tipologia delle batterie secondarie o accumulatori) sono studiate per fornire potenza per muovere un veicolo, come un'automobile elettrica o un motore per rimorchio. Una maggiore considerazione costruttiva riguarda il rapporto potenza/peso, dato che il veicolo deve trasportare la batteria. Mentre le convenzionali batterie piombo-acido contengono elettrolita liquido, nelle batterie per trazione l'elettrolita è spesso gelificato per prevenire versamenti. L'elettrolita può anche essere imbevuto in lana di vetro avvolta in modo tale che le celle abbiano un'area circolare della sezione trasversale (batterie absorbent glass mat).

Le tipologie di batterie utilizzate nei veicoli elettrici possono così riassumersi:

  • Batterie convenzionali al piombo-acido con elettrolita liquido
  • Batterie AGM (Absorbed Glass Mat)
  • Batteria ZEBRA Na/NiCl2 operante a 245 °C e che richiede il raffreddamento nel caso di escursioni termiche
  • Batteria Ni/Zn

Le batterie al litio-ione e al litio-polimero stanno surclassando la tecnologia NiMh in questo settore mentre a causa del loro basso costo le batterie al piombo-acido mantengono il loro ruolo predominante.

Ricarica[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Caricabatterie.
Spia di mancata ricarica dell'accumulatore
Batterie in fase di ricarica

Quando circola corrente in un elemento (sia in fase di scarica, sia in fase di ricarica - per gli elementi secondari) si producono reazioni chimiche esotermiche, ossia con generazione di calore.
Una scarica (o carica) troppo violenta può provocare l'esplosione dell'elemento e per questo motivo è importante fare attenzione a non mettere in cortocircuito i due poli elettrici della batteria.

Se si cerca di ricaricare un elemento non ricaricabile, si ottiene una produzione di idrogeno e ossigeno ai due poli delle singole celle, e se la produzione dei due gas è più alta della loro velocità di fuga, la batteria può esplodere.

L'energia usata per ricaricare le batterie ricaricabili può provenire da:

  • rete domestica attraverso l'utilizzo di adattatori;
  • regolatore di tensione dell'alternatore, in caso di mezzi di trasporto, questo sistema è munito di una spia in caso ci sia un guasto al sistema o quando questo non riesce a caricare l'accumulatore;
  • pannelli fotovoltaici;
  • stazioni di energia nel caso d'impianti industriali o di telecomunicazione.

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.

Per la ricarica casalinga di elementi è preferibile utilizzare caricabatterie che dispongano di protezioni, quali:

  • riconoscimento di elementi primari (es. pile alcaline), impedendone automaticamente la carica
  • protezione contro lo scambio di polarità
  • protezione verso surriscaldamento dell'elemento in carica
  • limitazione della durata massima della ricarica
  • individuazione automatica della capacità della batteria ricaricabile (e conseguente adattamento della corrente di ricarica).

Effetto memoria[modifica | modifica wikitesto]

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 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 dimensioni 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) il singolo elemento almeno una volta ogni due o tre settimane. È necessario che la procedura venga attuata sul singolo elemento e non su di una serie di essi (cosiddetto "pacco batteria") onde evitare il pericolo di una "inversione di polarità" che può comportare danni ben più gravi dell'effetto memoria. In ogni caso è bene che la tensione di ciascun elemento non scenda sotto il volt e, nel caso di una serie di elementi, non si tenti di scaricare oltre tale limite il pacco.
  • 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.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Kiehne, pag. 6
  2. ^ (EN) Lithium Oxygen Battery, University of St Andrews. URL consultato il 7 settembre 2010. – Articoli attinenti sono citati nella pagina.
  3. ^ La batteria ad aria che vive 10 volte di più

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

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