Batteria al piombo

Una batteria piombo-acido di un'automobile
La batteria piombo-acido (o accumulatore al piombo o accumulatore piombo-acido), inventata nel 1859 dal fisico francese Gaston Planté, è il tipo più vecchio di batteria ricaricabile, molto usata per automobili, moto e altri veicoli a motore per alimentare il motorino d'avviamento. È formata da sei celle in serie per una differenza di potenziale o forza elettromotrice totale di 12,73 V a circuito aperto e in piena carica (2,13 V per la singola cella) e di 12 V quando è in funzione (2 V per la singola cella). Inizialmente l'utilità dell'accumulatore non fu subito recepita, soprattutto in virtù del fatto che non esistendo metodi di produzione non chimica dell'elettricità, l'accumulatore poteva essere ricaricato solamente da altre pile. La cosa cambiò con l'invenzione della dinamo nel 1869.
Batteria nickel-cadmio
La batteria nota come accumulatore nichel-cadmio (comunemente abbreviata NiCd) è un tipo molto popolare di accumulatore ricaricabile, usato spesso in apparecchi portatili dell'elettronica di consumo ed in giocattoli, ed impiega i metalli nichel (Ni) e cadmio (Cd) come reagenti chimici. L'abbreviazione NiCad è un marchio registrato della SAFT Corporation e non dovrebbe essere utilizzato per riferirsi genericamente alle batterie nichel-cadmio. Spesso vengono impiegate come un rimpiazzo delle celle primarie, come batterie per l'alto carico (heavy duty) oppure per sostituire le batterie alcaline, che sono spesso disponibili in molte delle stesse misure delle pile standard. Inoltre, le batterie NiCd hanno un mercato di nicchia nell'area dei telefoni cordless (senza cordone, come il DECT) e wireless (senza fili), nell'illuminazione di emergenza, così come in molti tipi di utensili elettrici di potenza.
Pila zinco-carbone
La prima pila a secco (cioè priva di elementi liquidi) prodotta industrialmente e commercializzata su ampia scala fu la pila zinco-carbone, brevettata nel 1886 dal Dr Carl Gassner, che sviluppò un precedente prototipo inventato e brevettato da Georges Leclanché nel 1866 (la cosiddetta pila Leclanché). In sostanza la precedente pila Leclanché aveva i due elettrodi ancora immersi in una soluzione acquosa elettrolita di cloruro di zinco e cloruro di ammonio, per cui non può essere considerata una vera e propria pila a secco. La pila zinco-carbone ha forma cilindrica ed è costituita da un anodo di zinco metallico che occupa la base inferiore e la superficie del cilindro, fungendo quindi anche da contenitore. All'interno troviamo una pasta gelatinosa di biossido di manganese e cloruro di ammonio, misti ad una polvere di carbone. Il catodo è costituito da una barretta di grafite, immersa in questa pasta e la cui sommità, ricoperta da un cappuccio metallico, sporge sulla base superiore del cilindro. Una plastica sigillante divide il cappuccio metallico dal contenitore di zinco, in modo da evitare il corto circuito tra anodo e catodo. La pila zinco-carbone ha numerosi svantaggi: il contatto fisico Zn e MnO2 e l'ambiente acido della pila non impediscono la reazione di ossidoriduzione anche a riposo, rendendo relativamente elevato il processo di scarica a riposo. Le numerose reazioni parallele portano alla formazione di numerose sostanze che aumentano la resistenza interna della pila, abbassando il ∆E (inizialmente 1,5 V ma poi destinato ad abbassarsi rapidamente). Anche l'ammoniaca che si libera al catodo tende a formare un velo gassoso sulla sua superficie, aumentando la resistenza interna e quindi abbassando il ∆E. In altre parole la pila ha facilità a scaricarsi. Un problema aggiuntivo è dato dall'assottigliamento della parete di zinco della pila a causa della semireazione di ossidazione. Questo porta a problemi di perdita del contenuto interno. Tutti questi limiti hanno impedito alle pile zinco-carbone di rimanere competitive ed essere così sostituite gradualmente dalle pile alcaline. Sono comunque più economiche di quest'ultime e restano ancora oggi reperibili sul mercato.
Batterie alcaline
Furono inventate negli anni cinquanta da un ingegnere canadese, Lewis Urry, e sono l'evoluzione delle pile a secco zinco-carbone. L'ossidante e il riducente sono ancora biossido di manganese (MnO2) e zinco metallico (Zn), ma lo Zn non forma più il contenitore esterno, bensì è inserito in forma di polvere attorno ad una barra metallica inerte (anodo). MnO2 è anch'esso una polvere a contatto con il contenitore esterno metallico e inerte (catodo). Le due polveri di Zn e MnO2 sono immerse in una pasta gelatinosa, alcalina appunto, di idrossido di potassio (KOH) come elettrolita e sono separate da un separatore che fa passare ioni, ma non le due sostanze solide polverizzate. La presenza del KOH è fondamentale in quanto ha il vantaggio di non produrre gas durante il funzionamento (esempio NH3) e di non avere cadute di tensione (∆E), che rimane costante e pari ad 1,5 V. L'estremità della barra di metallo che funge da anodo è a contatto con un dischetto di metallo sulla base inferiore del cilindro della pila, estendendo quindi la funzione anodica a tutto il dischetto. Quest'ultimo è separata dal contenitore esterno catodico di metallo da un sigillante di plastica non conduttore che evita il corto circuito.
A differenza della tradizionale pila zinco-carbone, nella pila alcalina entrambi i potenziali di riduzione (E) all'anodo e al catodo sono noti, stabili e costanti durante il funzionamento della pila, garantendo una ∆E = 1,5 V. Inoltre Zn e MnO2 non sono adesso a contatto (divisi dal separatore) e quindi non reagiscono tra di loro quando la pila è a riposo (no scarica a riposo). Non si liberano gas e non vi sono reazioni indesiderate, impedendo cadute di potenziale (∆E stabile). Infine non c'è consumo del contenitore della pila e quindi non ci sono perdite.
La pila alcalina ha permesso quindi il superamento di tutti i limiti della pila zinco-carbone, sostituendola gradualmente sul mercato. L'unico svantaggio è il maggior costo.

• Usi: torce elettriche, giocattoli, strumenti elettrici ed elettronici vari
• Vantaggi: tempo di vita più lungo a riposo, nessuna caduta di tensione anche ad elevata intensità di corrente erogata, nessuna perdita
• Batterie zinco-aria

La prima batteria zinco-aria fu realizzata da Charles Fery nel 1914 in versione “ingombrante”. Furono poi perfezionate e ridotte di volume negli anni '70. Oggi le più comuni batterie zinco-aria hanno la dimensione e forma di un bottone e sono utilizzate per apparecchi acustici da applicare all'orecchio dei non udenti, per misuratori di telemetria cardiaci ed altri apparecchi medici. Trovano applicazioni anche per telecamere ed altri oggetti. La parete laterale interna e la base superiore della batteria sono occupati da una lastra metallica inerte che funge da anodo. Questa racchiude una pasta gelatinosa umida alcalina a base di KOH e contenente polvere di zinco. La parete laterale esterna e la base inferiore della batteria costituiscono un'altra lastra metallica inerte che funziona da catodo e che è separata dalla prima grazie a un sigillante di plastica non conduttore che evita il corto circuito. La lastra metallica catodica è forata a livello della base inferiore per far passare l'ossigeno dell'aria (O2) e sopra di essa è adagiata una carta da filtro e poi ancora un foglio di teflon, entrambi permeabili all'O2. Ancora sopra è presente un sottile strato di materiale, tenuto insieme da un rete e imbevuto dello stesso gel alcalino a base di KOH, in grado di catalizzare (accelerare) la decomposizione dell'O2. Tale gel alcalino è separato da quello contenente la polvere di zinco grazie ad un separatore permeabile agli ioni. Come nella pila alcalina entrambi i potenziali di riduzione (E) all'anodo e al catodo sono noti, stabili e costanti durante il funzionamento della pila, garantendo una ∆E = 1,65 V. La batteria è economica ed ha alta densità di energia grazie all'assenza di immagazzinamento dell'ossidante. La scarica a riposo della pila è trascurabile se è mantenuto il sigillante sulla parete catodica che impedisce il passaggio di O2. In assenza del sigillante l' O2 diffonde facilmente fino a dentro la pila ossidando lo Zn. Altro svantaggio è costituito dalla potenza molto ridotta che ne limita l'uso ad apparecchi di piccola dimensione.

• Usi: apparecchi acustici, misuratori telemetrici cardiaci, strumenti elettrici ed elettronici a bassa potenza
• Vantaggi: dimensione piccola, alta energia specifica, ∆E stabile (∆E = +1,65 V), basso costo.
• Svantaggi: bassa capacità (utilizzabili solo per piccoli strumenti), funziona male in condizioni di clima secco
• Batterie ad argento

Inventata e commercializzata negli anni '50 in varie forme e dimensioni. Fu utilizzata per tutta la seconda metà del secolo scorso nell'aeronautica militare, civile e spaziale. Gli alti costi di realizzazione, dovuti alla presenza dell'argento, l'hanno oggi resa poco competitiva in questi campi, ma sono ancora commercializzate e molto usate batterie da argento di piccole dimensioni, a forma di bottone, per orologi, calcolatrici, macchine fotografiche ed altri oggetti elettronici di piccole dimensioni. La base superiore della batteria è occupata da una lastra metallica inerte che funge da anodo, mentre la base inferiore e la parete laterale sono costituiti da una simile lastra metallica inerte che funziona da catodo. Una plastica sigillante e isolante corre internamente alla parete laterale fino alla base superiore, interponendosi tra anodo e catodo ed evitando così il corto circuito. All'interno, a contatto con le basi superiore e inferiore della batteria, si trovano due paste gelatinose alcaline a base di idrossido di potassio (KOH) e contenenti una polvere di zinco (Zn) e un polvere di ossido di argento (Ag2O), rispettivamente. Queste sono separate da un separatore permeabile agli ioni che, come in tutte le pile, assicura il ristabilimento della neutralità nei due ambienti gelatinosi. Come nella pila alcalina entrambi i potenziali di riduzione (E) all'anodo e al catodo sono noti, stabili e costanti durante il funzionamento della pila, garantendo una ∆E = 1,6 V. La batteria è inoltre piccola e quindi adatta per piccoli apparecchi. La presenza dell'argento la rende tuttavia costosa.

• Usi: Aeronautica militare, civile e spaziale (nel secolo scorso e con dimensioni decisamente più grandi di quelle descritte qui); orologi, calcolatrici, macchine fotografiche, telecamere ed altri oggetti elettrici ed elettronici di piccole dimensioni.
• Vantaggi: dimensione piccola, ∆E stabile (∆E = +1,6 V).
• Svantaggi: bassa capacità (utilizzabili solo per piccoli strumenti), costo relativamente alto

Batterie al mercurio (batterie Ruben-Mallory)
Inventata nel 1942 da Samuel Ruben fu utilizzata nel corso della seconda guerra mondiale per applicazioni militari (walkie-talkie, munizioni e metal detector). Fu commercializzata dopo la guerra in varie forme e dimensioni e trovò uso per varie applicazioni, soprattutto in piccola forma (a bottone) come per le pile ad argento descritte sopra. Fu largamente usata per orologi, calcolatrici, macchine fotografiche, ed altri piccoli oggetti. Fu anche molto utilizzata per applicazioni mediche (apparecchi acustici, pacemakers ed altri dispositivi impiantibili per via chirurgica). A partire dagli anni '90 cominciarono, in alcuni stati degli USA, le limitazioni per la fabbricazione di queste batterie a causa del mercurio liquido da esse prodotte, ritenuto dannoso per l'ambiente a causa dello smaltimento improprio delle batterie stesse da parte della popolazione fruente. Oggi la produzione è vietata in tutti gli Stati Uniti, in tutta Europa ed in molti altri stati occidentali e non. Come nella pila alcalina e ad argento entrambi i potenziali di riduzione (E) all'anodo e al catodo sono noti, stabili e costanti durante il funzionamento della pila, garantendo una ∆E = 1,3 V.

• Usi: fino al loro divieto furono usate per orologi, calcolatrici, macchine fotografiche, telecamere, pacemakers, apparecchi acustici ed altri oggetti elettrici ed elettronici di piccole dimensioni
• Vantaggi: dimensione piccola, ∆E stabile (∆E = +1,3 V).
• Svantaggi: bassa capacità (utilizzabili solo per piccoli strumenti), alta tossicità

Batterie al litio
Batteria al litio disassemblata. Da sinistra a destra troviamo: superficie metallica dell'anodo ricoperto internamente da uno strato di litio metallico, separatore poroso, polvere di MnO2, rete metallica conduttrice, superficie metallica del catodo (danneggiato durante l'apertura della batteria), anello di plastica sigillante Da non confondere con le batterie ricaricabili agli ioni di litio (Li-ion).
Inventata e commercializzata nel 1970 da varie compagnie americane e giapponesi generalmente in piccola forma (ad esempio a bottone), è oggi utilizzata per orologi, macchine fotografiche, calcolatrici, telecomandi auto per chiusura centralizzata, apparati impiantabili per via chirurgica (pacemakers, defibrillatori impiantabili, impianti cocleari, sensori di glucosio, ecc.), oggetti elettronici di vario tipo. La base inferiore della batteria è occupata 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. Un anello di plastica sigillante tiene unite le due lastre impendendone allo stesso tempo 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 aprotico (che non rilascia ioni H+). La base superiore è invece a contatto con un composto ossidante che può variare a seconda del tipo di batteria presa in considerazione, anch'esso immerso nello stesso solvente aprotico. I due ambienti sono divisi 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 aprotico è carbonato di propilene o 1,2-dimetossietano dove si trova disciolto come sale elettrolita LiClO4. La batteria al litio ha comportato una vera e propria rivoluzione nel campo delle batterie che si è allargata anche alle pile secondarie (ricaricabili). La semireazione del litio ha in assoluto il valore E° più basso, garantendo un alto valore di ∆E qualunque sia la specie chimica responsabile della semireazione di riduzione. Inoltre il Li è leggero (6,9 g/mol), permettendo di liberare un grosso quantitativo di e− per unità di massa (1 mole di e− ogni 6,9 g di Li, più di qualunque altra sostanza). Questo ha permesso di generare batterie con alti valori di ∆E (3 V) ed energia specifica (0,83-1,01 kJ/g di batteria), traducendosi in batterie di piccole dimensioni e alto potenziale. Inoltre le batterie al litio hanno alta affidabilità, tempo di vita molto lungo (10-15 anni), basso valore di scarica a riposo (ca. 2% all'anno), abbassamento di ∆E lento e prevedibile e sono sigillabili in quanto 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 piuttosto che acquoso.

• Usi: orologi, macchine fotografiche, calcolatrici, telecomandi auto, apparati impiantabili per via chirurgica, oggetti elettrici ed elettronici di vario tipo e piccola dimensione.
• Vantaggi: dimensione piccola, tempo di vita molto lungo, ∆E alto (circa 3 V), alta energia specifica, bassa autoscarica, alta affidabilità, bassa tossicità, sigillabilità, ∆E a lento decadimento (utile per pacemakers)
• Svantaggi: bassa capacità, costo elevato, infiammabilità

Batterie secondarie (ricaricabili) Le pile secondarie, o accumulatori, sono quelle pile le cui reazioni chimiche interne sono reversibili. A differenza delle pile primarie, somministrando energia elettrica a questi dispositivi, si inverte il senso della reazione completa ottenendo la riformazione dei reagenti iniziali a spese dei prodotti finali. Per tale motivo le pile secondarie sono dette "ricaricabili". Pila o batteria?
Il termine pila e batteria possono essere sinonimi, perché indicano entrambi un componente elettrico capace di fornire energia elettrica, ma si distinguono per il fatto che le pile hanno una disposizione delle diverse celle galvaniche in verticale (una sopra l'altra), mentre le batterie hanno una disposizione delle celle in orizzontale (una di fianco all'altra); Inoltre il termine pila viene utilizzato anche per indicare le celle galvaniche usate singolarmente (come nel caso delle Pile stilo, quali le AA, AAA, ecc)[14], mentre il termine batteria viene utilizzato anche per indicare una fonte energetica di corrente elettrica costituita da più celle galvaniche distinte tra loro e non fisicamente unite e vincolate tra di loro, come nel caso di "pacchi batteria" o di molte "pile fai-da-te".