di  -  giovedì 23 luglio 2009

Pubblichiamo la prima parte di un guest post di Ray_of_Light

Img courtesy of zoomilife.com

Il telecomando della televisione, quello dell’auto, del condizionatore, del cancello. Il cellulare, l’auricolare bluetooth, il player MP3, la videocamera, la macchina fotografica. La radiolina, la torcia elettrica, la luce d’emergenza, il cacciavite elettrico, l’orologio da polso e quello da parete. Il rasoio elettrico, il fissa ciglia, l’epilatore, lo scaccia zanzare e l’aspira briciole. Il laptop, il netbook, il DVD player.. e l’automobile, con la sua batteria che pesa decine di chili.

Voglio dimenticarmi di una innumerevole serie di giocattoli, e tutta una serie di strumenti professionali che richiedono una alimentazione portatile, limitandoci a quelli di uso comune.

Le batterie hanno un uso universale, e la loro presenza negli apparecchi portatili tende ad aumentare sempre più nel tempo. In questa nostra analisi ci soffermeremo su quelle di uso più comune, tralasciando quelle per uso specializzato, che troveremmo ad esempio in un satellite, in un sottomarino od un treno. Procediamo innanzitutto con una breve introduzione.

Le batterie vengono distinte in due grandi classi: primarie e secondarie, ossia batterie non ricaricabili, e batterie ricaricabili. In generale, le prime, a parità di capacità, sono meno costose delle seconde. Le batterie secondarie vengono spesso indicate come “accumulatori”.

La parola “batteria” si riferisce ad un insieme di celle elettrochimiche elementari, dello stesso tipo, e connesse elettricamente tra di loro in modo da aumentarne la tensione, la capacità, o entrambe. Per fare un esempio, una batteria misura AA (in Italia chiamata anche “stilo”) è costituita da una singola cella; una batteria da 9 Volt per il telecomando è costituita da sei celle da 1,5 Volt in serie.

Il “Volt” è l’unità di misura della tensione della batteria; Ampere è la misura di misura della corrente elettrica che fluisce in essa, e Ampere/ora è l’unità di misura della sua capacità. Una batteria da 2,2 Ah è capace di erogare 2,2 Ampere per un’ora, 1,1 Ampere per 2 ore, e cosi via.

Tuttavia questa relazione non è lineare; quando un produttore specifica la capacità di una batteria, di solito si riferisce ad un periodo di scarica di venti ore. In altre parole, una batteria primaria da 10 Ah fornirà 10 Ah se scaricata in 20 ore, ma solo 6 Ah se scaricata in un ora. Per le batterie secondarie (esclusi molti tipi al piombo) il periodo di scarica su cui viene indicata la capacità nominale è invece di 5 ore. Questa disparità di energia fornita da una batteria, a varie velocità di scarica, viene indicata come “efficienza”.

Ogni batteria è costituita da due poli, uno positivo e uno negativo, a volte riferiti come anodo e catodo. Dentro la batteria, sia essa primaria o secondaria, sono presenti almeno tre materiali chimici: uno al polo positivo, uno al polo negativo, ed un altro, chiamato genericamente “elettrolita”, inframmezzato fra i due. L’elettrolita non partecipa attivamente alla produzione di energia elettrica, ma permette il passaggio di ioni fra i due poli.

Le batterie primarie

Fatta questa necessaria introduzione, iniziamo con la descrizione delle batterie primarie. La categoria più antica sono quelle chiamate a zinco carbone, a volte chiamate batterie saline, o batterie Leclanché. Nella prima denominazione, che è quella formalmente corretta, ci si riferisce alla composizione dei poli; nel secondo caso a quella dell’elettrolita utilizzato; nel terzo, a quello dell’inventore.

La batteria zinco carbone è indicata per usi a basso assorbimento di corrente, in quanto ha una bassa efficienza. Essa è costituita da un cilindro di zinco, un foglio di carta imbevuto di elettrolita che inizialmente era il cloruro di ammonio, e biossido di manganese misto a grafite al polo positivo.

Il biossido di manganese è un potentissimo ossidante, se provate a passarlo su un pezzo di ferro quest’ultimo si arrugginisce in pochi secondi. Durante la scarica esso passa da una forma chimica trivalente a una bivalente, lo zinco passa in soluzione assottigliando il cilindro, e si forma acqua come sottoprodotto. A fine scarica il cilindro si può forare, e l’acqua trascina il biossido di manganese fuori dalla batteria nell’apparecchio utilizzatore, che diventa inutilizzabile dopo questo “allagamento”.

Poi i chimici si sono ravveduti. Hanno sostituito il cloruro di ammonio con il cloruro di zinco, che non forma cosi tanta acqua a fine scarica, hanno inspessito i cilindri di zinco, e aggiunto un involucro di acciaio con delle guarnizioni per contenere eventuali fuoriuscite. Le moderne pile a zinco carbone di buona marca, quattro stilo per un euro e mezzo, hanno poche probabilità di distruggere il vostro orologio da parete o la sveglia portatile.

Con sorpresa, però, negli ultimi tempi ho trovato nei mercatini delle batterie di provenienza quasi sicuramente cinese, costruite con le vecchie tecnologie, e con un’aggravante. Ossia, utilizzano biossido di manganese di provenienza minerale, ossia da miniera. Normalmente il biossido utilizzato deve essere estremamente puro, per evitare reazioni chimiche parassite, e viene ottenuto per riscaldamento in forni appositi. Queste batterie si scaricano da sole in sei mesi, terminando la loro vita inutile in una pozzanghera ossidante.

Torneremo prossimamente sull’argomento con ulteriori approfondimenti dedicati alle batterie primarie, prima di entrare nel campo delle batterie secondarie.

12 Commenti »

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  • # 1
    Zerk
     scrive: 

    Mi è piaciuto! Aspetto il prossimo articolo

  • # 2
    Ventresca
     scrive: 

    ottimo articolo, adatto anche a chi non è proprio ferrato in materia come il sottoscritto. Aspetterò volentieri il suo seguito.

  • # 3
    Davide
     scrive: 

    ottimo articolo, veramente molto chiaro, complimenti!

  • # 4
    Sonnyboy
     scrive: 

    Costruisco “batterie” da 30 anni. Leggo alcune imprecisioni o omissioni, qualcuno le avrà notate senz’altro.
    Le batterie sono costituite da più di un elemento, ogni elemento si chiama pila. Le pile sono, per intenderci, anche quelle di forma cilindrica da 1,5 V che comunemente si inseriscono nei telecomandi, giocattoli ecc. Ci sono anche pile cilindriche che pile non sono, in quanto costituite da più di un elemento e allora si chiamano batterie, sono però usate assai meno delle altre e hanno tensione minima di 3 V.
    La batteria dell’auto si chiama così perchè è una “batteria di pile”, un insieme di pile, comunemente detto batteria. Ogni elemento di una batteria d’auto quasi sicuramente non è cilindrico, la forma più adatta in questo caso è simile ad un parallelepipedo rettangolo anche se ultimamente esistono elementi ovalizzati. Le batterie più comuni e conosciute sono quelle piccole da 9V a forma di parallelepipedo rettangolo (6 elementi da 1,5V) e quelle delle automobili o per autotrazione, un po’ meno quelle “piatte” da 4,5 V un tempo assai diffuse e costituite comunque da 3 pile cilindriche.
    L’elettrolita partecipa eccome alla resa della pila, è importantissima la sua composizione, la temperatura, la quantità. A tal proposito le cosiddette “batterie di flusso” grazie alla cicolazione forzata dell’elettrolita da un apposito serbatoio tramite pompe hanno una capacità superiore alle stesse senza circolazione forzata dell’elettrolita. Questo per le cose assai spicciole da dire a chiarire un po’ gli aspetti pratici, la materia è veramente grande e complessa ed è difficile parlarne in poche pagine, auguri al blogger per il coraggio dimostrato dall’affrontare una materia vastissima e assai interessante!

  • # 5
    Magilvia
     scrive: 

    @Sonnyboy
    Veramente anche tu hai avuto qualche svista: le batterie più diffuse non sono quelle da 9v ma le minitorce tipo AA e AAA che se ne vendono in grandi quantità sia ricaricabili sia no. Le batterie da 4,5v invece sono proprio introvabili (saranno almeno 10 anni che non ne vedo una) altro che un po’ meno diffuse :D

  • # 6
    Luca69
     scrive: 

    Se leggi bene quelle da 1,5V sono le pile ;)
    Le “batterie” sono una serie di pie da 1,5 collegate assieme e per cosí dire “impacchettate” e tra queste la piú comune é quella da 9V

  • # 7
    Magilvia
     scrive: 

    Ah giusto! Pardon, errore mio.

  • # 8
    Ray_of_Light
     scrive: 

    Caro Soonyboy grazie dei tuoi commenti. Intendo fare una precisazione che è puramente etimologica. La parola “pila” fu coniata ai tempi di Alessandro Volta, che inventò il generatore chimico di elettricità e lo chiamò “pila” in quanto costituita da dischi di rame e zinco inframmezzati da dischi isolanti imbevuti di acido solforico. Questa serie di dischi erano appunto “impilati” uno sull’altro, da cui il nome “pila”.
    L’uso del termine “pila” è rimasto nella lingua italiana, al pari delle espressioni “accendi la luce” e “spegni la luce” sebbene non vi siano più candele da accendere o spegnere.
    Oggi le pile vengono prodotte con forme e tecnologie costruttive differenti da quella adottata inizialmente da Volta, ma il termine, nella lingua italiana almeno, è rimasto.
    In inglese, al posto del termine “pila” viene utilizzato il termine “cell” che in italiano è tradotto impropriamente con “cella”, laddove la traduzione corretta sarebbe “cellula”, ossia il componente generatore di energia più elementare di una batteria.
    Per quanto riguarda il ruolo degli elettroliti nelle batterie, esso viene approfondito nella seconda parte dell’articolo, che verrà pubblicato presto. Tuttavia ribadisco qui che nel ciclo elettochimico della batteria l’elettrolita serve esclusivamente al trasporto ionico e non prende parte alle reazioni di ossidoriduzione che producono energia elettrica. L’elettrolita, da un punto di vista costruttivo della batteria, deve conservare la massima conducibilità in una vasta gamma di temperature, evitare che si degradi chimicamente, e che degradi il materiale dei poli della batteria… e sono ruoli difficili. Nel resto dell’articolo leggerai degli elettroliti acquosi e non, e del grosso problema che ha lo zinco con gli elettroliti alcalini.
    Un Saluto
    Ray of Light

  • # 9
    arkanoid
     scrive: 

    piccolo appunto, i nomi delle unità di misura vanno scritti minuscoli quando scritti per esteso. ampere, non Ampere, volt non Volt ;)

  • # 10
    La tecnologia dentro le batterie, seconda puntata - Appunti Digitali
     scrive: 

    […] prima parte abbiamo fornito alcuni accenni generali sul mondo delle batterie e iniziato il discorso relativo […]

  • # 11
    La tecnologia dentro le batterie, terza puntata - Appunti Digitali
     scrive: 

    […] aver esaurito il tema delle batterie primarie (qui e qui), in questo nuovo appuntamento con la tecnologia delle batterie ci occuperemo di batterie […]

  • # 12
    La tecnologia dentro le batterie, quarta puntata - Appunti Digitali
     scrive: 

    […] aver analizzato le batterie primarie (qui e qui) ed aver introdotto il tema delle batterie sigillate, ci rimane da analizzare, in questa […]

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