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TECNICA

LE BATTERIE - LA TECNOLOGIA

Lo schema mostra la struttura di una batteria alcalina al manganese.

Struttura e funzionamento di una batteria
La batteria è una fonte di energia elettrochimica la cui erogazione avviene per effetto delle reazioni chimiche che si svolgono al suo interno (ciclo di scarica) e quindi indipendentemente da una rete di alimentazione elettrica. L’unità più piccola di una batteria si chiama cella (galvanica). Solitamente una batteria è composta da più celle elettricamente interconnesse a formare un insieme unitario. La conversione dell’energia da chimica in elettrica è resa possibile dalla presenza di due elettrodi che all’interno della cella sono collegati reciprocamente tramite un fluido elettroconduttore (elettrolita). Un elettrodo è costituito da un metallo (per esempio zinco o litio) che a contatto con l’elettrolita crea un potenziale negativo, il cosiddetto polo negativo della cella (anodo). Il secondo elettrodo è invece costituito da un composto (a conduzione di elettroni) e ricco d’ossigeno (per esempio idrossido di nichel, biossido di manganese oppure ossido d’argento) che a contatto con l’elettrolita genera un potenziale positivo, formando così il polo positivo della cella (catodo).


I vari tipi di batterie e i loro vantaggi e svantaggi
Pile e batterie si suddividono in due grandi categorie: batterie primarie e batterie secondarie. Le batterie primarie si scaricano una sola volta, dopodiché sono da considerarsi completamente esauste. Le batterie secondarie (dette anche accumulatori) possono invece essere rigenerate più volte dopo l’uso mediante un apposito dispositivo di ricarica, detto caricabatterie. In questo processo di ricarica l’energia elettrica fornita da una fonte esterna viene nuovamente accumulata sotto forma di energia chimica. Le reazioni chimiche delle batterie secondarie sono quindi reversibili. Una batteria si compone di un anodo, un catodo, una membrana divisoria (separatore) e un elettrolita. I sistemi elettrochimici sono molteplici e le loro denominazioni dipendono dai materiali che vengono utilizzati come elettrodi ed elettrolita. In generale, le batterie prendono il nome dal materiale impiegato rispettivamente per il polo positivo (catodo) e per quello negativo (anodo). Le varie batterie primarie e secondarie si differenziano per tensione, capacità e rendimento. Queste caratteristiche determinano il tipo di applicazione e di apparecchiature a cui sono destinate.

Il riciclaggio delle batterie
Le batterie contengono in parte dei metalli pesanti come piombo, cadmio o mercurio, il che le qualifica come rifiuti speciali1. Un processo di smaltimento inadeguato può causare la dispersione di queste sostanze nocive nell’ambiente e quindi compromettere la salute di esseri umani, animali e piante. La presenza di metalli pesanti è da evitare anche nelle scorie e nel filtrato degli impianti di incenerimento. Oltre ai rischi ecologici, la mancata immissione delle batterie esauste nel processo di riciclaggio comporta pure lo spreco di preziose materie prime. La raccolta separata delle batterie è obbligatoria per legge. Tutte le pile e le batterie devono quindi essere riconsegnate ai punti di vendita o di raccolta, i quali hanno l’obbligo di ritirare gratuitamente pile e batterie di qualsiasi marca e di avviarle allo smaltimento. I punti di vendita hanno anche il dovere di informare i clienti di questa possibilità di restituzione mediante apposito avviso collocato in un luogo ben visibile.

Batterie primarie
Le batterie primarie più diffuse sono le pile cilindriche alcalino-manganese (per apparecchi con maggiore fabbisogno di energia) e quelle zinco-carbone (per impieghi a basso consumo energetico). Insieme coprono oltre l’80% del volume complessivo di batterie vendute.

a) Batteria zinco-carbone

L’elettrodo positivo (catodo) si compone di biossido di manganese (pirolusite compressa) mescolato con polvere di grafite per ottenere una migliore conducibilità; una barretta di carbone funge da collettore. L’elettrodo negativo (anodo) è di zinco. Tra la massa positiva e lo zinco viene interposta una membrana di carta che serve a impedire il contatto elettrico diretto tra gli elettrodi. L’elettrolita è costituito da una soluzione alcalina. La tecnologia della batteria zinco-carbone – detta anche «pila Leclanché» dal nome del suo inventore Georges Lionel Leclanché (brevetto del 1866) – è la più antica in assoluto. Questo classico sistema è tuttora una soluzione conveniente soprattutto per alimentare dispositivi a basso assorbimento di potenza o che vengono usati solo saltuariamente (per esempio orologi da cucina o torce elettriche). Le batterie zinco-carbone hanno però uno scarso rendimento alle basse temperature e dagli anni ’80 vengono sempre più rimpiazzate dalle più efficienti batterie alcalino-manganese.

b) Batteria alcalino-manganese

La batteria alcalina al biossido di manganese presenta una struttura analoga a quella della batteria zinco-carbone. L’elettrodo positivo è costituito da biossido di manganese a cui è stata aggiunta della polvere di grafite, mentre quello negativo si compone di polvere di zinco e di un perno metallico come ricevitore di corrente, il tutto racchiuso in un contenitore d’acciaio. Contrariamente alla batteria zinco-carbone (il cui elettrolita è basico), l’elettrolita di questo sistema è composto da idrossido di potassio basico (potassa caustica). I due elettrodi sono separati da una membrana microporosa che è permeabile agli ioni dell’elettrolita ma non a quelli degli elettrodi. Questo tipo di batteria offre un miglior rapporto prezzo/rendimento rispetto alle batterie zinco-carbone e per di più, contrariamente a queste ultime, non è soggetto a corrosione. Le batterie alcaline al manganese sono adatte per apparecchi a forte consumo energetico e di uso frequente come macchine fotografiche, walkman o flash.

c) Batteria al litio
È un tipo di batteria che sta affermandosi sempre più grazie alla capacità di questo metallo leggero di produrre una tensione tre volte maggiore rispetto ad altri materiali. L’anodo è di litio, il catodo ad esempio di biossido di manganese e l’elettrolita è costituito da potassa caustica. Le batterie al litio presentano un livello di autoscarica praticamente nullo e trovano impiego in macchine fotografiche, orologi da polso, calcolatrici tascabili, computer per bicicletta e via dicendo.

d) Pila a bottone all’ossido d’argento
Si tratta di una pila a bottone con capacità di carica da media a elevata. L’anodo è polvere di zinco, il catodo ossido d’argento e l’elettrolita una lisciva di potassa organica. Queste batterie sono indicate per il funzionamento di orologi da polso, macchine fotografiche, calcolatrici tascabili, apparecchi medicali (iniettori di insulina per diabetici), ecc.

Un accenno al mercurio
Negli ultimi anni si sono fatti molti progressi nella fabbricazione delle batterie. Già dalla prima metà degli anni ’90, tutti i principali produttori europei non impiegano più il mercurio nella fabbricazione di batterie alcalino-manganese e zinco-carbone. A partire dal 2000, anche le pile a mercurio del tipo a bottone, utilizzate soprattutto per apparecchi acustici ad alta capacità, sono state sostituite da sistemi ecocompatibili come le pile a bottone zinco-aria.


Batterie secondarie
Nonostante siano più costose rispetto a quelle primarie, le batterie ricaricabili (o accumulatori) risultano convenienti per applicazioni che ne prevedono un impiego frequente e continuo. Infatti consentono di risparmiare materie prime ed energia – a condizione tuttavia che vengano usate in modo corretto. Ad esempio scaricandole completamente a intervalli regolari per ridurre il cosiddetto effetto memoria, ossia quel fenomeno per cui una batteria ricaricata quando non è ancora completamente scarica “si ricorda” di questa piccola carica residua riducendo di conseguenza la sua capacità. Altra precauzione importante è quella di ricaricare gli accumulatori solo con dispositivi adeguati. Nel caso delle batterie secondarie si è soliti fare una distinzione tra batterie a secco (ad esempio gli accumulatori usati nei telefoni cellulari) e batterie a liquido (batterie per auto), Tuttavia, i moduli didattici Pile e batterie sono dedicati unicamente alle batterie per uso domestico e non trattano quindi quelle per autoveicoli. Queste ultime, infatti, oltre a presentare una struttura tecnicamente diversa dalle batterie di uso comune, sono anche integrate in un circuito di smaltimento indipendente che ne prevede la diretta riconsegna all’autofficina.

a) Accumulatori al nichel-cadmio
Assieme a quelle al nichel-metall-idruro e a quelle agli ioni di litio, queste sono le batterie ricaricabili più diffuse. La corrente è generata da due lamierini, uno di nichel e l’altro di cadmio, separati da un materiale isolante e immersi in potassa caustica. Si tratta di un sistema conveniente e molto indicato per apparecchiature a forte consumo energetico (elettroutensili, videocamere, giocattoli, ecc.) e per l’impiego a basse temperature. Gli accumulatori al nichel-cadmio sono robusti e, se usati in modo corretto, hanno una durata utile molto lunga (sopportano fino a 1000 ricariche). Rispetto ad altri sistemi, tuttavia, presentano una serie di svantaggi: hanno una minore capacità e a causa dell’elettrodo di cadmio sono più soggetti all’effetto memoria; inoltre il cadmio è un metallo pesante estremamente tossico per l’ambiente e difficile da smaltire. Il loro impiego è quindi ragionevole solo a condizione che se ne sfrutti appieno la lunga durata e si possa garantirne un efficace smaltimento. Tutti questi inconvenienti hanno fatto sì che gli accumulatori al nichel-cadmio abbiano perso terreno a favore di quelli al nichel-metall-idruro.

b) Accumulatori al nichel-idruro metallico
Invece del cadmio, queste batterie contengono una lega metallica in grado di assorbire l’idrogeno, il che consente loro di disporre di una notevole capacità di accumulo elettrochimico pur occupando poco spazio. La loro capacità è doppia rispetto a quella dei sistemi al nichelcadmio e, analogamente agli accumulatori a ioni di litio, non sono soggetti all’effetto memoria. Le batterie NiMH permettono anche di compensare lievi cadute della tensione di carica: di tanto in tanto basta infatti scaricarle completamente e poi ricaricarle. Sono particolarmente adatte per giocattoli, videocamere e apparecchi radio. A temperatura ambiente (15-20 °C) sono soggette a un’autoscarica pari a circa l’1% al giorno; è quindi consigliabile ricaricarle brevemente prima dell’uso.

c) Accumulatori a ioni di litio e a polimeri di litio
Gli accumulatori a ioni di litio e a polimeri di litio rappresentano l’ultimissima generazione di batterie ricaricabili. Oltre a offrire una notevole capacità di accumulo, sono soggette a una ridottissima percentuale di autoscarica anche restando inutilizzate per parecchi mesi. Si prestano all’uso in telefoni cellulari, notebook, fotocamere digitali, ecc.

TORCE LED
LE BATTERIE IN COMMERCIO

Batterie al Litio (Li e Li-Ion) al Nichel-Magnesio (Ni-Mh) al Nichel-Cadmio (Ni-Cd), queste sono le principali fonti di alimentazione oggi in uso per gli apparecchi portatili. Le tre caratteristiche principali di una batteria sono il voltaggio (Volt),  la capacità nominale (mAh) e ovviamente il formato. Il voltaggio deve coincidere con quello richiesto dalla torcia da usare, ma la corrente è il valore più importante. Si va dai 300 mAh delle pile più scadenti al Ni-Cd, ai 2.700 delle più potenti al Ni-Mh, fino ai 3.100 mAh delle moderne batterie Li-Ion. Ma non dobbiamo dimenticare che ci sono altre caratteristiche distintive molto importanti, ad esempio la possibilità di ricaricare alcune pile senza aspettare che si scarichino completamente è davvero utile. Le batterie ricaricabili oggi sono quasi tutte Ni-Mh, fino a poco tempo fa però erano diffuse le Ni-Cd che molti possiedono ancora oggi. Sono in genere da 650-800 mAh e non sono soddisfacenti per l'uso con le torce LED di potenza elevata. Quelle al Ni-Mh sono invece più adatte, funzionano bene sia per compiti leggeri, sia per compiti più pesanti, come ad esempio le potenti torce LED di nuova generazione, macchine radiocomandate o fotocamere digitali. Le batterie al Ni-Mh vanno da 1.200 fino a 2.700 mAh di capacità nominale. Le batterie ricaricabili Li-Ion vanno da 650 a 900 mAh per le RCR123A e da 1200 a 3.100 mAh per le 18650. Entrambe le batterie vengono prodotte anche con circuito PCM per la protezione dai danni derivanti da eccesso di carica/scarica. Alcune delle torce più potenti di nuova generazione, sono in grado di ospitare indifferentemente due batterie in serie di tipo RCR123A oppure una 18650.

LE BATTERIE AL LITIO

Il Litio è un metallo leggerissimo che possiede un'elevata densità di energia. Per questo motivo queste batterie sono molto più leggere delle tradizionali pile di uguale formato. Le batterie al Litio di tipo AA e AAA possiedono una tensione nominale di 1,5 Volt contro 1,2 Volt delle ricaricabili al Ni-Mh. Le tradizionali alcaline di uguale formato dispongono di 1,5 Volt ma non sono ricaricabili. Le batterie al Litio di tipo CR123A possiedono una tensione nominale di 3,0 Volt, contro 1,5 Volt delle pile tradizionali. Mantengono una tensione quasi costante durante il funzionamento, mentre le pile alcaline sono soggette ad una autoscarica che non ne consente la conservazione oltre i tre anni. Al contrario, le batterie al litio si possono conservare a magazzino per 10 anni senza perdere la loro carica o deteriorarsi, inoltre non si degradano se sottoposte a temperature estreme. Una torcia alimentata con pile al Litio può essere usata sul ghiaccio o ai tropici senza problemi. La capacità nominale delle batterie al Litio di tipo CR123A normalmente reperibili sul mercato è mediamente paria a 1.300 mAh ma si possono trovare produttori (VARTA) che offrono batterie con capacità fino a 1.600 mAh a tutto vantaggio della durata.

AVVERTENZA:
Le batterie al Litio e alkaline di tipo AA - AAA - CR123A NON SONO RICARICABILI e se si tenta di farlo, possono esplodere pericolosamente. Esistono sul mercato, anche se di non facile reperibilità, le batterie Li-Ion di tipo RCR123A che possono essere ricaricate utilizzando un caricatore specifico e certificato dallo stesso produttore delle batterie. La massima capacità nominale di queste batterie è di 900 mAh e vanno utilizzate e/o ricaricate avendo l'accortezza di non accoppiarle a batterie di marca diversa.  

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