Batterie e celle a combustibile

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.