18.8: Batterie e celle a combustibile

Una batteria è una cella galvanica utilizzata come fonte di energia elettrica per applicazioni specifiche. Le batterie moderne esistono in una moltitudine di forme per adattarsi a varie applicazioni, dalle minuscole batterie a bottone come quelle che alimentano gli orologi da polso alle batterie molto grandi utilizzate per fornire energia di riserva alle reti elettriche comunali. Alcune batterie sono progettate per applicazioni monouso e non possono essere ricaricate (celle primarie), mentre altre si basano su reazioni cellulari opportunamente reversibili che consentono la ricarica tramite una fonte di alimentazione esterna (celle secondarie).

Batterie monouso (primarie).

Una cella a secco è una comune batteria primaria che utilizza lo zinco sia come contenitore che come anodo (terminale “-”) e un'asta di grafite come catodo (terminale “+”). Il contenitore per lo zinco è riempito con una pasta elettrolitica contenente ossido di manganese (IV), cloruro di zinco (II), cloruro di ammonio e acqua. Un'asta di grafite viene immersa nella pasta elettrolitica per completare la cella. La reazione cellulare spontanea prevede:

La tensione (potenziale della cella) di una cella a secco è di circa 1,5 V (E_cell ~ 1,5 V). Le celle a secco sono disponibili in varie dimensioni (ad esempio D, C, AA, AAA). Tutte le dimensioni delle celle a secco comprendono gli stessi componenti e presentano la stessa tensione, ma le celle più grandi contengono quantità maggiori di reagenti redox e quindi sono in grado di trasferire quantità corrispondentemente maggiori di carica. Come altre celle galvaniche, le celle a secco possono essere collegate in serie per produrre batterie con tensioni di uscita maggiori, se necessario.

Le batterie alcaline sono state progettate attorno alle stesse coppie redox delle celle a secco. Come suggerisce il nome, questi tipi di batterie utilizzano elettroliti alcalini e spesso idrossido di potassio. Le reazioni sono

Una batteria alcalina può fornire da tre a cinque volte l'energia di una batteria a secco di dimensioni simili (E_cell = +1,43 V). Le batterie alcaline tendono a perdere idrossido di potassio, quindi devono essere rimosse dai dispositivi per la conservazione a lungo termine. Sebbene alcune batterie alcaline siano ricaricabili, la maggior parte non lo è.

Batterie ricaricabili (secondarie).

Le batterie al nichel-cadmio, o NiCd, sono costituite da un catodo placcato in nichel, un anodo placcato in cadmio e un elettrodo di idrossido di potassio. Le piastre positive e negative, a cui viene impedito il cortocircuito grazie al separatore, vengono arrotolate insieme e inserite nella custodia. Questo design consente alla cella NiCd di fornire molta più corrente rispetto a una batteria alcalina di dimensioni simili. Le reazioni sono

Se adeguatamente trattata, una batteria NiCd può essere ricaricata circa 1000 volte (E_cell ~ 1,3 V). Il cadmio è un metallo pesante tossico, quindi le batterie NiCd non dovrebbero mai essere rotte o incenerite e dovrebbero essere smaltite in conformità con le pertinenti linee guida sui rifiuti tossici.

Le batterie agli ioni di litio sono tra le batterie ricaricabili più popolari e vengono utilizzate in molti dispositivi elettronici portatili. Le reazioni sono

La stechiometria variabile della reazione cellulare porta a variazioni nelle tensioni delle celle, ma per condizioni tipiche, x non è solitamente superiore a 0,5 e la tensione delle celle è di circa 3,7 V (E_cell ~ 3,7). Le batterie al litio sono popolari perché possono fornire una grande quantità di corrente, sono più leggere di batterie comparabili di altri tipi, producono una tensione quasi costante mentre si scaricano e perdono la carica solo lentamente quando vengono riposte.

La batteria al piombo è anche un tipo di batteria secondaria comunemente utilizzata nelle automobili. È poco costosa e in grado di produrre l'elevata corrente richiesta dai motorini di avviamento delle automobili. Le reazioni per una batteria al piombo sono

Ciascuna cella produce 2 V (E_cell ~ 2 V), quindi sei celle sono collegate in serie per produrre una batteria per auto da 12 V. Le batterie al piombo sono pesanti e contengono un elettrolita liquido caustico, H_2SO_4 (aq), ma spesso sono ancora le batterie preferite a causa della loro elevata densità di corrente. Poiché queste batterie contengono una notevole quantità di piombo, devono essere sempre smaltite correttamente.

Celle a combustibile

Una cella a combustibile è una cella galvanica che utilizza combustibili tradizionali, molto spesso idrogeno o metano, che vengono continuamente immessi nella cella insieme a un ossidante. All'interno della cella, il combustibile e l'ossidante subiscono la stessa chimica redox di quando vengono bruciati, ma attraverso un processo elettrochimico catalizzato che è significativamente più efficiente. Ad esempio, una tipica cella a combustibile a idrogeno utilizza elettrodi di grafite incorporati con catalizzatori a base di platino per accelerare le due reazioni delle semicelle:

Questi tipi di celle a combustibile producono generalmente tensioni di circa 1,23 V (E_cell ~ 1,23 V). Rispetto a un motore a combustione interna, l’efficienza energetica di una cella a combustibile che utilizza la stessa reazione redox è in genere più che doppia (~20%–25% per un motore contro ~50%–75% per una cella a combustibile). Le celle a combustibile a idrogeno sono comunemente utilizzate nelle missioni spaziali estese e sono stati sviluppati prototipi per veicoli personali.

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 17.5: Batteries, and Fuel Cells.

Le batterie sono celle voltaiche usate come fonti elettriche portatili. Sono classificati in batterie primarie o non ricaricabili e secondarie o ricaricabili. La batteria primaria comune è la pila a secco.

Contiene una custodia di zinco come anodo, e un catodo di grafite immerso in una pasta elettrolitica umida e acida di ossido di manganese e cloruro di ammonio. Lo zinco si ossida a cloruro di zinco, e l'ossido di manganese si riduce a ossido di manganese solido generando un potenziale di 1, 5 volt. Quando vengono azionati, gli elettrodi si esauriscono, rendendo monouso le batterie a secco.

Le batterie alcaline sono simili, ma usano un elettrolita alcalino che ne prolunga la durata e la vita lavorativa. Le batterie al piombo sono batterie secondarie usate prevalentemente nelle automobili. Questi hanno tipicamente sei celle elettrochimiche collegate in serie, che generano un potenziale totale di 12 volt.

Ogni cella ha un anodo di piombo e un catodo di ossido di piombo immersi in acido solforico. Durante la scarica, le reazioni redox depositano solfato di piombo solido su entrambi gli elettrodi, che vengono riconvertiti durante la ricarica usando una fonte di alimentazione esterna. Le batterie ricaricabili al nichel-cadmio contengono un catodo di ossidrossido di nichel, un anodo di cadmio, e un elettrolita di idrossido di potassio.

Quando viene azionato, l'anodo si ossida in idrossido di cadmio solido e il catodo si riduce in idrossido di nichel solido, generando un potenziale cellulare di 1, 3 volt. Tuttavia, la tossicità del cadmio spinge la sostituzione delle batterie al nichel-cadmio con batterie ecologiche all'idruro di nichel-metallo. Qui, il catodo rimane lo stesso, ma l'anodo è una lega che assorbe l'idrogeno.

La reazione anodica prevede la formazione di acqua dall'idrogeno. Le batterie agli ioni di litio sono le batterie secondarie più recenti. Il leggero litio metallico rende queste batterie portatili con un'elevata densità di energia.

Una batteria agli ioni di litio contiene un anodo di grafite litiata e un catodo di ossido di metallo di transizione al litio. Una volta caricato, il metallo di transizione viene ossidato, mentre gli ioni di litio sono incorporati fra gli strati di grafite anodica. Dopo essersi scaricati, gli ioni di litio fluiscono dall'anodo al catodo, generando un potenziale di 3, 7 volt.

Infine, le celle a combustibile sono celle voltaiche che richiedono una fornitura esterna continua di reagenti redox per la produzione di energia. Una tipica cella a combustibile a idrogeno usa l'idrogeno e l'ossigeno dell'aria per generare una corrente, mentre emette acqua. Gli elettrodi di grafite contengono catalizzatori a base di platino, per accelerare la reazione redox.