Pile ed accumulatori

Le pile sono dei generatori elettrici che utilizzano reazioni chimiche per ottenere energia elettrica. Una pila è formata da due elementi metallici (detti elettrodi), sempre costituito da due sostanze diverse, immerse in una soluzione chimica (detta elettrolito).

Per effetto elettrochimico, tra i due elettrodi si stabilisce una tensione elettrica: cioè uno assume carica elettrica positiva e l’altro una carica elettrica negativa.

Se tra i due si pone un filo conduttore, in esso inizia a scorrere corrente elettrica.

Le reazioni chimiche consumano le sostanze della pila, fino ad esaurirle e le cariche a quel punto smettono di scorrere: la pila è scarica.

Esistono molti tipi di pile, differenti tra loro a secondo della natura dei metalli usati.

Le più comuni sono le pile a secco.

Le tensioni cono in genere comprese tra 1 e 2 Volt e quando occorrono tensioni superiori si utilizzano pile uguali, collegate un serie (batteria).

La quantità totale di corrente che una pila è in grado di erogare nella sua vita di misura in Ah (Amperora). Una pila con una capacità di 1 Ah è quella in grado di erogare una corrente di 1 A per 1 ora, o 0,1 A per 10 ore.

Pile 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.

Pile alcaline

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 essendo 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 separato 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, non si liberano gas e non vi sono reazioni indesiderate, impedendo cadute di potenziale.

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.

Accumulatori

Alcune pile hanno un funzionamento reversibile: facendo scorrere una corrente elettrica in verso opposto, si provocano reazioni chimiche che ristabiliscono la differenza di potenziale elettrico iniziale e quindi la pila è pronta a erogare nuovamente corrente. Sono le cosiddette pile ricaricabili o accumulatori.

Oggi trovano largo impiego in moltissime utilizzazioni.

Accumulatori al piombo

Gli accumulatori al piombo vengono usate in tutte le automobili, le cosiddette “batterie”.

Un accumulatore da 12 Volt è formato da sei celle collegate in serie. Nello stato di carica ogni cella contiene un anodo di piombo spugnoso (Pb) e un catodo di diossido di piombo (PbO₂) in una soluzione elettrolitica acquosa (diluita) contenente acido solforico (H₂SO₄). Gli accumulatori al piombo non amano rimanere scarichi e/o parzialmente carichi; devono sempre essere carichi al 100% ed essere ricaricati costantemente (meglio se con correnti modeste/moderate e per lungo tempo).

Accumulatore agli ioni di litio

La batteria ricaricabile nota come accumulatore agli ioni di litio (a volte abbreviato Li-Ion) è un tipo di batteria comunemente impiegato nell'elettronica di consumo. È attualmente uno dei tipi più diffusi di batteria per laptop e telefono cellulare, nonché per alcune auto elettriche, con uno dei migliori rapporti peso/potenza, nessun effetto memoria e una lenta perdita della carica quando non è in uso. Queste batterie possono essere pericolose se impiegate impropriamente e se vengono danneggiate e comunque, a meno che non vengano trattate con cura, si assume che possano avere una vita utile più corta rispetto ad altri tipi di batteria. Una versione più avanzata della batteria agli ioni di litio è l'accumulatore litio-polimero.

Accumulatore al Pb