Batterie e celle a combustibile

Una batteria è una cella galvanica che viene utilizzata come fonte di energia elettrica per applicazioni specifiche. Le batterie moderne esistono in una moltitudine di forme per ospitare varie applicazioni, dalle minuscole batterie a bottone come quelle che alimentano gli orologi da polso alle batterie molto grandi utilizzate per fornire energia di backup 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 comodamente reversibili che consentono la ricarica da parte di una fonte di alimentazione esterna (celle secondarie).

Batterie monouso (primarie)

Una cella a secco è una batteria primaria comune che utilizza lo zinco sia come contenitore che come anodo (“terminale–”) e un’asta di grafite come terminale catodo (“+”). La lattina Zn è riempita con una pasta elettrolita contenente ossido di manganese(IV), cloruro di zinco(II), cloruro di ammonio e acqua. Un’asta di grafite è immersa nella pasta elettrolita per completare la cella. La reazione cellulare spontanea coinvolge:

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

Le batterie alcaline sono state progettate intorno alle stesse coppie redox della cella secca. Come suggerisce il nome, questi tipi di batterie usano elettroliti alcalini, spesso idrossido di potassio. Le reazioni sono

Una batteria alcalina può fornire da tre a cinque volte l’energia di una cella secca di dimensioni simili(cella E = +1,43 V). Le batterie alcaline sono soggette a perdite di idrossido di potassio, quindi dovrebbero essere rimosse dai dispositivi per lo stoccaggio a lungo termine. Mentre alcune batterie alcaline sono ricaricabili, la maggior parte non lo sono.

Batterie ricaricabili (secondarie)

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

Se trattata correttamente, una batteria NiCd può essere ricaricata circa 1000 volte (cella E_~ 1,3 V). Il cadmio è un metallo pesante tossico, quindi le batterie NiCd non devono mai essere rupeturate o incenerite e devono 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 sono utilizzate in molti dispositivi elettronici portatili. Le reazioni sono

La stechiometria variabile della reazione cellulare porta alla variazione delle tensioni cellulari, ma per le condizioni tipiche, x di solito non è superiore a 0,5, e la tensione cellulare è di circa 3,7 V(cella E_~ 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 solo lentamente la carica quando vengono immagazzinate.

La batteria al piombo-acido è anche un tipo di batteria secondaria comunemente usata nelle automobili. È economico e in grado di produrre l’alta corrente richiesta dai motori di avviamento dell’automobile. Le reazioni per una batteria al piombo-acido sono

Ogni cella produce 2 V(cella E_~ 2 V), quindi sei celle sono collegate in serie per produrre una batteria per auto da 12 V. Le batterie al piombo-acido sono pesanti e contengono un elettrolita liquido caustico, H₂SO₄ (aq), ma spesso sono ancora la batteria preferita a causa della loro alta densità di corrente. Poiché queste batterie contengono una quantità significativa di piombo, devono sempre essere smaltite correttamente.

Celle a combustibile

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

Questi tipi di celle a combustibile producono generalmente tensioni di circa 1,23 V(cella E_~ 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.