PILE E ACCUMULATORIAlessandro Z., 2^ Ist.Tecnico AFM, anno scolastico 2015/16

CHE COS’È UNA PILA

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.

pila

batteria

CHE COS’È UN ACCUMULATORE

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).

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.

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

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

LE LEGGI DI VOLTA

seconda legge: 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

LE LEGGI DI VOLTA

terza legge: 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

FUNZIONAMENTO DELLA

PILA DI VOLTA

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).

FUNZIONAMENTO DELLA

PILA DI VOLTA

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.

DA VOLTA AI GIORNI NOSTRI

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

DA VOLTA AI GIORNI NOSTRI

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

DA VOLTA AI GIORNI NOSTRI

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)

DA VOLTA AI GIORNI NOSTRI

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

Pila Planté Pila Bunsen Pila di GrovePila di Daniell

Pila di Zamboni Pila Leclanché Pila Wollaston

Il principio fisico-chimico sul 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

Il modo in cui 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

CLASSIFICAZIONE DELLE PILE

Le pile possono 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.

CLASSIFICAZIONE DELLE PILE

Gli accumulatori possono 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.

CLASSIFICAZIONE DELLE PILE

Tentare di ricaricare batterie non ricaricabili (primarie)

può provocare un pericoloso surriscaldamento dell‘elettrolita

fino a provocarne la fuoriuscita o l'esplosione.

BATTERIE PRIMARIE

Vi sono sei 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;

4. Litio, utilizzate nell’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

In base ai loro componenti, gli accumulatori sono ripartibili in tre

categorie:

Nichel-cadmio;

Nichel-idruro metallico;

Ioni di litio

BATTERIE SECONDARIE O ACCUMULATORI

Alcuni tipi di batterie 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

La prima pila a 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

Per evitare il corto 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

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.

PILE

ALCALINE

Le pile alcaline furono 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).

PILE

ALCALINE

A differenza di quelle 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.

PILE ZINCO-ARIA

La prima pila 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.

PILE ZINCO-ARIA

Utilizzano un catodo 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.

PILE ZINCO-ARIA

Hanno il vantaggio 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.

PILA ZINCO-ARIA

Le pile al litio 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

Le due lastre sono 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

PILE AL LITIO

La batteria 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)…

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).

PILE AL LITIO

Le prime batterie ad 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

La batteria ha il 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

ACCUMULATORI NICHEL-CADMIO

La prima batteria al 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) .

ACCUMULATORI NICHEL-CADMIO

Di solito hanno un 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.

ACCUMULATORINICHEL-CADMIO

Le batterie nichel-cadmio sono 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.

ACCUMULATORINICHEL-CADMIO

Alcune volte i dendriti 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.

ACCUMULATORI NICHEL-IDRURO METALLICO

Sviluppati alla fine 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.

ACCUMULATORI NICHEL-IDRURO METALLICO

La lega metallica dell’anodo è un miscela di elementi

del gruppo delle terre rare: lantanio, cerio, neodimio, praseodimio,

nichel, cobalto, manganese, alluminio.

ACCUMULATORI NICHEL-IDRURO METALLICO

Poche usano titanio, 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.

Le prime batterie al 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

L‘anodo è fatto con 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

È impiegata elettronica di 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

ACCUMULATORI AGLI IONI DI LITIO

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.

ACCUMULATORI AGLI IONI DI LITIO

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.

ACCUMULATORI AGLI IONI DI LITIO

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.

LA PILA ATOMICA

Fu realizzata 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.

LA PILA ATOMICA

Il reattore 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.

Vanadio Redox

Poli-Solfuro Bromuro

Zebra (Ni-NaCl)

Nichel-Zinco

Zolfo-Sodio

Stair (ad aria)

Alluminio-aria

Ferro- Nichel

NUOVI TIPI DI BATTERIE

La produzione delle batterie 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

In Italia il DL 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

http://www.cdcnpa.it/pile-e-accumulatori/portatili

https://it.wikipedia.org

http://www.archimede-energia.com

http://www.aristidetorrelli.it/articoli/batterie/batterie.htm

https://en.wikipedia.org

http://mib.maxell.eu/it/products/micro-batterie-sr-all-ossido-d-argento-silver-oxide-mercury-free-286.aspx

http://www.notiziariomotoristico.com/articoli/97/facciamo-luce-sulle-batterie

http://www.archimede-energia.com/it/comunicazione/blog/121-blog/94-le-batterie-al-litio-cosa-sono-e-come-funzionano

http://www.minerva.unito.it/sis/fermi2/fermi3.htm

http://scienzapertutti.lnf.infn.it/index.php?option=com_content&view=article&id=1208&itemid=433

http://www.treccani.it/enciclopedia/pila-atomica_(enciclopedia-italiana)/

http://www.chimica-online.it/download/pila.htm

http://www.sapere.it/

http://www.zanichelli.it

IMMAGINI: GOOGLE.IT

FONTI