Nucleazione e Bolle

 

Nucleazione e Bolle
(Decompression Theory and Application di B.R. Wienke ed. Best Publishing Company)

Nel contesto dei modelli a gas disciolti le soste di sicurezza e le velocità di risalita ridotte sono coerenti con la meccanica delle bolle, riducendo effettivamente il tasso di crescita delle bolle e l’accumulo della fase gassosa libera a causa della maggiore pressione effettiva presente al termine dell’immersione.

Questo rappresenta un forte appoggio all’applicazione di queste tecniche.
Alcuni, inoltre, considerano soste di sicurezza, risalite a velocità ridotta e maggiori pressioni di desaturazione come una terapia coerente per le fasi gassose separate (libere), particolarmente in prossimità della superficie dove una ulteriore riduzione della pressione favorisce la crescita di volume.

Sia la teoria della nucleazione delle bolle che la pratica sperimentale ci dicono che in ogni data immersione (compressione – decompressione) le famiglie di micronuclei di dimensioni superiori ad una determinata dimensione critica (minima) vengono eccitate e spinte verso la formazione di bolle, quindi è necessario prestare attenzione, durante tutto il corso dell’immersione, allo sviluppo della fase libera.

Gli esperimenti ed i calcoli suggeriscono che soste brevi, poco profonde e velocità di risalita ridotte hanno effetto positivo sulla riduzione dell’accumulo della fase libera, riducendo al contempo il gas disciolto nei tessuti più veloci, e questo è importante per le immersioni più profonde.
In ultima analisi le ragioni sono da ricercarsi nella meccanica delle bolle e nella nucleazione.

Meccanica della fase

Le pressioni interne delle bolle superano la pressione ambiente di quantitativi pari alle effettive tensioni superficiali delle bolle stesse.
Per eliminare le bolle, o ridurne la crescita, si richiede un aumento della pressione ambiente non solo per ridurre le dimensioni, ma anche per spingere il gas fuori della bolla, per diffusione, e anche attraverso l’interfaccia tessuto-bolla.

Quanto più breve è il tempo di eliminazione che si desidera tanto maggiore dovrà essere la pressione ambiente.

Gli esperimenti condotti nelle gelatine sottoposte a decompressione, in particolare da Yount e Strass, Kunkle e Beckman, e collettivamente da Yount, Yeung e Gillary , sono stati chiarificatori ed hanno testimoniato la veridicità di questo fatto.



Equilibrio della Pressione della Bolla

La pressione totale del gas Pt, all’interno di una bolla d’aria equivale alla somma della pressione ambiente, P, più l’effettiva tensione superficiale, 2g/r, secondo l’equazione:

Quando il raggio è piccolo gli effetti della tensione superficiale sono grandi, mentre quando il raggio è grande gli effetti della tensione superficiale scompaiono.

La tensione superficiale effettiva è la differenza tra la tensione di Laplace (pellicola sottile) e la tensione della pellicola (surfactante).
I nuclei stabilizzati posseggono una tensione superficiale nulla (zero) così che il totale delle pressioni dei gas e le tensioni si equivalgono.
Quando i nuclei sono destabilizzati (bolle) qualsiasi gradiente compreso tra la fase gassosa libera e quella dissolta spingerà il sistema verso differenti configurazioni, cioè espansione o contrazioni, finquado non si stabilisce un nuovo equilibrio.

Quanto più piccola è la bolla tanto minore è il tempo di dissoluzione.
Le implicazioni legate all’immersione sono piuttosto chiare, in presenza di fasi libere anche asintomatiche è l’aumento della pressione di desaturazione è prudente.
Con qualsiasi pressione il tempo richiesto per dissolvere una bolla di 250 micron di diametro è significativamente più breve di quello necessario a dissolvere bolle più grandi.
La ricompressione immediata, entro  5 minuti è un trattamento adeguato per bolle di diametro inferiore a 100 micron, e rappresenta la base della procedure di ricompressione di emergenza in acqua praticate da australiani e hawaiani.


Una bolla d’aria in equilibrio idrostatico crescerà o si contrarrà in base alla sua dimensione e a qualsiasi gradiente relativo tra la fase libera di fase interna alla bolla e del gas disciolto nel tessuto.

I gradienti sono rivolti verso l’interno se le tensioni superano la pressione dei gas nella bolla, e all’esterno se la pressione della fase gassosa libera supera le tensioni.

Un certo raggio critico , rc, separa espansione e contrazione per un dato insieme di pressioni. Il raggio critico dipende dalla tensione totale ρt, pressione ambiente, P, e tensione superficiale effettiva, g.


dove la crescita si ha se r > rc e la contrazione se r <  rc. Nell’organismo alcuni micronuclei gassosi stabilizzati possono sempre essere eccitati a crescere da cambiamenti di pressione (compressione-decompressione).

Questi fatti danno sostegno all’impiego delle soste di sicurezza quando le tabelle convenzionali vengono impiegate ai limiti, di tempo o di ripetizione, presumendo che le bolle nella gelatina e nei tessuti rispondano alla pressione essenzialmente alla stessa maniera.


Le bolle si sviluppano e crescono su scale dei tempi più estese rispetto alla stabilizzazione dei nuclei.
Nondimeno la rapida dissoluzione delle bolle in gelatine sature sottoposte a decompressione rapida (e il corpo vero e proprio) richiedono una depressurizzazione immediata ed adeguata. Il tempo assoluto richiesto a dissolvere le bolle con una data sovrapressione è direttamente proporzionale alle dimensioni della bolla.
E’ chiaro che quanto più la bolla è piccola tanto minore sarà il tempo richiesto a scioglierla con una data sovrapressione.
Le bolle studiate da Kunkle e Beckman con questo esperimento  crebbero fino a circa 1 mm in 5 ore a partire da micronuclei stabilizzati.
Questi esperimenti hanno fornito informazioni di vitale importanza, corroborando le teorie sulla nucleazione e sulla formazione di bolle in vitro.

Le bolle, instabili, possono crescere al di là dell’ordine dei micron, i nuclei gassosi che resistono al collasso grazie alle pareti elastiche costituite da molecole attive superficiali (surfactanti), o forse alla riduzione della tensione superficiale alle interfacce tissutali o nelle fessure.
Per schiacciarli sono necessarie pressioni ingenti (nell’area delle 10 atm).
Teoricamente i micronuclei sono sufficientemente piccoli da passare attraverso i filtri polmonari, ma sufficientemente densi da non galleggiare verso la superficie del loro ambiente con il quale sono in equilibrio sia idrostatico (pressione) e diffusionale (flusso di gas).

Quando i nuclei sono stabilizzati, e non attivati verso la crescita o la contrazione da variazioni esterne di pressione, la tensione della pellicola (surfactante) sbilancia sia la tensione di Lapalace (pellicola) e qualsiasi aiuto meccanico dovuto al tessuto circostante.
A questo punto la pressione e le tensioni di gas sono uguali, ma, nella decompressione, le tasche di innesco (seed = seme) sono circondate da gas disciolti a tensioni elevate e possono quindi crescere (bolle) quando il gas circostante diffonde dentro ad esse.

La velocità di crescita, o di contrazione, delle bolle è in dipendenza diretta dalla differenza tra tensione tissutale e pressione ambiente locale, in pratica dal gradiente di pressione della bolla, indicato con G.
In un certo istante si forma un volume critico di bolle (fase libera, e i sintomi di embolia divengono statisticamente più probabili.
Durante la compressione i micronuclei sono schiacciati a dimensioni ridotte (diverse per le varie famiglie di dimensioni) ed apparentemente si stabilizzano alla nuova dimensione. Le bolle vengono schiacciate anche all’aumento della pressione a causa della legge di Boyle e poi si stringono ulteriormente se il gas diffonde verso l’esterno.
Via via che la bolla diviene più piccola è possibile che si stabilizzi di nuovo come micronucleo. 

Durante la compressione-decompressione i nuclei gassosi possono crescere come bolle, in base alla loro effettiva tensione superficiale e al raggio della bolla.
Al di sotto di un determinato raggio critico, riportato nella Tabella 3 in funzione della pressione secondo il modello a permeabilità variabile (Variable Permeabilty Model – VPM), le bolle tendono a collassate su loro stesse, mentre con raggi di equilibrio maggiori crescono mentre il gas diffonde verso il loro interno.

I nuclei stabilizzati evolvono in bolle instabili quando la loro tensione superficiale effettiva è maggiore di zero, o quando esiste un gradiente di diffusione sufficiente a spingere il gas dentro o fuori dal nucleo.

A livello del mare il raggio di eccitazione è prossimo a 0,8 micron, più piccolo cioè delle cellule viventi, che hanno dimensioni che partono da pochi micron. 

Raggi di Eccitazione dei Micronuclei 


La teoria della nucleazione è coerente con numerose osservazioni relative alla su acquea.
I subacquei possono aumentare in modo significativo la tolleranza alla formazione delle bolle, e di conseguenza all’embolia, seguendo tre semplici tecniche, originariamente proposte da Walzer, Evans e Walzer, Albano e Griscuoli e riproposte da Yount, Kunkle e Beckman: compiere una prima immersione profonda e breve (di schiacciamento) riducendo così i micronuclei a dimensioni minori e più sicure;effettuare le immersioni successive a profondità progressivamente inferiori, in modo da immergersi entro i limiti di schiacciamento della prima immersione e minimizzando l’eccitazione dei micronuclei più piccoli.

Fare immersioni frequenti (a giorni alterni) in modo da sfoltire il numero di micronuclei disponibili per formare le problematiche bolle. 

Da qui è possibile sottolineare un concetto, se i siti di nucleazione sono estinti, ridotti di numero, o poco disposti all’eccitazione la formazione di bolle, ed i rischi che ne conseguono, saranno ridotti in misura proporzionale a questi eventi.
I tempi di rigenerazione dei micronuclei sono stimati in circa una settimana, sottolineando l’adattamento fisiologico al ripresentarsi di ambienti in pressione.
La meccanica di nucleazione, stabilizzazione e crescita delle bolle sono piuttosto complessi ed i meccanismi di stabilizzazione sono stati quantificati solo di recente.
I meccanismi che sottostanno alla creazione e alla generazione e che occorrono prima della stabilizzazione non sono ben compresi.

Alcune ipotesi comprendono i gas disciolti nei liquidi che beviamo, il drenaggio linfatico dai tessuti alle vene, la coalescenza da collisione, la turbolenza e la vorticosità del sangue, lo sforzo, lo stomaco e il sottile endotelio di interfaccia aria-sangue nei polmoni.

Una volta che si sono formati i micronuclei devono stabilizzarsi molto rapidamente con del materiale surfactante.
Nel passaggio attraverso il filtro polmonare sopravvivono solo i nuclei di misura inferiore al micron.
Ammesso che i nuclei persistano non è chiaro se popolano tutti i siti tissutali, ne se sono caratterizzati dalle medesime distribuzioni dimensionali.

Alcuni possono sostenere che i risultati ottenuti con le gelatine non siano rilevanti perché i fluidi biologici si formano, e sono contenuti, in un ambiente chiuso (il corpo), ma gli studi di Strass e di Yount confermano l’esistenza di micronuclei gassosi preformati nel siero del sangue e nell’albumina dell’uovo.
I nuclei sembrano essere pervasivamente presenti in tutti i tipi di fluidi.

Tralasciando i nuclei preformati altri metodi di formazione delle bolle sono sicuramente possibili.
Uno dei meccanismi candidati è la cavitazione, prodotta da strappi o rapidi distanziamenti delle interfacce tissutali, così come lo è la frizione delle superfici (tribonucleazione).
Gli interstizi dei tessuti potrebbero formare o intrappolare delle fasi gassose creando un potenziale per un successivo rilascio.
La vorticosità del flusso sanguigno può creare piccole microbolle.

La presenza di abbondanti microbolle, stabili o instabili, nella circolazione venosa avrebbe un impatto negativo sull’eliminazione del gas disciolto, anche tramite una possibile azione di impedimento polmonare o della rete arteriosa.

La presenza di bolle nella circolazione arteriosa può determinare un’embolia, l’intasamento da bolle dalla circolazione polmonare è ritenuto collegato al manifestarsi dei chokes, una grave forma di malattia da decompressione, mentre la malattia da decompressione cerebrale si ritiene dovuta alla presenza di emboli.

La presenza di  microbolle nella circolazione venosa renderebbe asimmetrici l’assorbimento ed il rilascio del gas, con un ingresso più rapido dell’eliminazione.
Sostituendosi al sangue le microbolle ridurrebbero l’area ed il volume disponibili per lo scambio di gas fra sangue e tessuti. 

Surfactanti

Acqua, benzina, glicerina e olio da insalata sono chiaramente dei liquidi. Lo sciroppo per frittelle, gli impasti, l’albume, lo stucco morbido, la vernice, la colla e il sapone da piatti sono anch’essi liquidi, cioè scorrono se gli si applica una forza, ma sono al limite della classificazione scientifica per tutti gli altri aspetti.
Nella risposta meccanica, ma in particolare nella viscosità, i componenti di quest’ultimo gruppo di differenziano gli uni dagli altri almeno quanto differiscono dai solidi.

E la loro risposta varia col tempo.
Lo sciroppo diventa appiccicoso quando secca, il sapone da piatti asciuga trasformandosi in leggeri fiocchi, lo stucco morbido scorre se messo su un piano inclinato, ma si frammenta se subisce un impatto improvviso, la colla è elastica e gommosa.
Le sostanze di quest’ultimo elenco sono denominate fluidi strutturati, poiché devono le loro particolari ed inusuali caratteristiche a grandi strutture poliatomiche, molte volte più grandi di una molecola d’acqua.

I fluidi che contengono  delle strutture poliatomiche manifestano un’ampia varietà di risposte meccaniche e di auto-organizzazione.
I tessuti e i fluidi corporei ospitano una incalcolabile collezione di materiali organici ed inorganici, comprese molte sostanze biochimiche che appartengono alla categoria dei fluidi strutturati.
Tra questi una classe di auto-assemblanti, chiamati surfactanti, è molto interessante e dotata di caratteristiche che possono stabilizzare le microbolle in vari stadi di sviluppo sbilanciando la tensione superficiale.

Un surfactante è un fluido strutturato di natura ambifilica, comprendendente componenti che assumono disposizioni preferenziali alle interfacce aria-olio (non mescolabili).
Una molecola di surfactante usualmente consiste di un voluminoso ione alla testa ed uno ione di segno contrario alla coda.

Usualmente non possono esistere molecole isolate all’interno di un mezzo di un determinato genere, piuttosto le molecole si orientano in configurazioni dette micelle nelle quali le componenti di natura simile si raggruppano.
Cioè la testa si trova immersa in una sostanza e la coda nell’altra.
Le micelle di solito hanno diametri dell’ordine di 10-3 micron e rendono le interfacce differenti da tutto ciò che può essere misurato dai singoli componenti.

Le interfacce tissutali lipidi-acqua rappresentano degli ambienti potenzialmente favorevoli ai surfactanti.In certe condizioni un surfactante può ridurre la tensione superficiale all’interfaccia, permettendo a quest’ultima di crescere e di avvolgersi su se stessa.

Il risultato è un microfascio (microaccumulo) pieno di interfacce che si alternano, di struttura sferica per ridurre al minimo le esigenze energetiche dovute alla termodinamica.

Nel microfascio possono essere raccolte numerose sostanze.
Se dei nuclei gassosi piccoli, ma normalmente molto più grandi di una micella, sono a contatto con le interfacce, o direttamente con il surfactante, può svilupparsi un micronucleo/microemulsione gassosa sferica variabile in termini di dimensioni e di contenuto di surfactante.
Questo insieme è stabile quando la tensione superficiale effettiva è zero, quando la pressione della pellicola di surfactante equilibra meccanicamente (Laplace)  la tensione superficiale.
Se la tensione superficiale effettiva del nucleo, g, non è zero l’insieme crescerà o si contrarrà fino al raggiungimento della stabilità oppure si scomporrà.

Nel caso delle microemulsioni di gas si ritiene che il surfactante rivesta soprattutto lo strato limite interno, con il gas libero contenuto all’interno.
La reale configurazione è probabilmente più complessa ma nei calcoli possiamo, per semplicità, utilizzare questa illustrazione della struttra.
I micronuclei stabilizzati dal surfactante teoricamente potrebbero destabilizzarsi durante i processi di compressione-decompressione dell’immersione, forse generando una crescita di bolle alimentata dalle elevate tensioni dei gas presenti nel mezzo circostante.
Le microbolle possono rimanere localizzate alle interfacce ma, probabilmente, migrano.
Le origini dei nuclei gasosi originali, la composizione dei surfactanti e i siti tissutali devono ancora essere descritti.

 

Le batterie delle torce subacquee

di Alessandro Gaggioli

La batteria nichel-cadmio (comunemente NiCd) è un tipo molto popolare di accumulatore ricaricabile, usato spesso in apparecchi portatili di ogni genere di elettronica di consumo ed impiega i metalli nichel (Ni) e cadmio (Cd) come reagenti chimici.

Le batterie NiCd, a una temperatura media di 25 °C, si scaricano autonomamente, pertanto frequentemente occorre ricaricarle ex-novo senza sovracaricarle poiché l’eccessivo surriscaldamento danneggerebbe la batteria.

Le batterie NiCd di alta qualità hanno un sistema termico di isolamento con il quale interrompono la carica se la temperatura è troppo elevata.
Inoltre se una NiCd viene caricata mentre è ancora calda per l’utilizzo, non raggiungerà la sua massima carica. In questi casi è utile lasciare la batteria a riposo a temperatura ambiente per essere caricata in seguito.

Le batterie NiCd contengono un elettrodo positivo di idrossido di nichel, un elettrodo negativo di idrossido di cadmio, un separatore e un elettrolita alcalino. Gli elettrodi, isolati da ogni altra cosa tramite il separatore, sono arrotolati a spirale dentro al contenitore.
La reazione chimica che avviene in una batteria NiCd è:

2NiO(OH) + Cd + 2H20 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2

Questa reazione va da sinistra a destra quando la batteria viene scaricata e da destra a sinistra quando viene ricaricata.
L’elettrolita alcalino non viene consumato in questa reazione.
Quando furono costruite le prime batterie nickel-cadmio, fu usato l’ossido di nickel nel catodo e ferro e cadmio nell’anodo, non molto dopo iniziarono ad essere impiegati cadmio puro e idrossido di nichel.
Un’altra innovazione importante alla base delle pile NiCd fu l’aggiunta di idrossido di litio all’elettrolita.
Si credeva in questo modo di poter rendere le batterie più resistenti, prolungando quindi la vita media delle batterie.
Tuttavia la batteria al nichel-cadmio nella sua forma moderna è estremamente resistente di per sé, pertanto questa pratica è stata abbandonata.
Il sovraccaricamento fa ormai parte della progettazione stessa delle pile.
Nel caso delle NiCd, ci sono due possibili effetti del sovraccaricamento.
Se l’anodo è sovraccaricato, si produce idrogeno; se il catodo è sovraccaricato, si produce ossigeno.
Per questo motivo, l’anodo è sempre progettato per avere una capacità più alta del catodo, per evitare il rilascio di idrogeno.
Le batterie a nichel-cadmio sono ventilate con delle valvole che si aprono oltrepassata la solgia di una certa temperatura interna.
Le batterie NiCd quando non usate regolarmente tendono a produrre al loro interno molto prima di quanto dichiarino i produttori, dei dendriti (sottili cristalli conduttori) che causano cortocircuiti e spesso la rottura della batteria.
Alcune volte i dendriti si possono rimuovere attraverso una forte scarica ad alta tensione alle singole celle della pila, ma una volta che il processo di formazione è iniziato difficilmente la pila può essere mantenuta correttamente.
Le batterie NiCd contengono ovviamente cadmio, che è un metallo pesante tossico e quindi richiede attenzione speciale durante il suo smaltimento.

Le batterie ricaricabili ad acido sono le più usate su larga scala.
Tuttavia, hanno una densità di carica molto più bassa delle NiCd.
Nonostante i costi elevati di queste ultime,nei casi in cui problematiche come dimensione e peso risultano essere fondamentali, le NiCd vengono preferite alle altre tipologie.
Le batterie NiMH sono simili alle NiCd, ma molto meno tossiche e dalle capacità più elevate. Da quando sono state messe in commercio, le pile NiMH hanno conquistato una grossa fetta del mercato.
Le NiCd hanno tuttora tre principali vantaggi sulle NiMh.
Innanzitutto il costo più basso.In secondo luogo il fattore di scarica automatica,del 20% mensile per le NiCd, contro il 30% per le NiMh, infine il fatto che le NiCd mantengono un voltaggio costante in modo che le apparecchiature possano funzionare correttamente.

Un altro tipo di batteria ricaricabile noto come litio-ione (abbreviato Li-Ion) è attualmente il tipo di accumulatore con uno dei migliori rapporti potenza-peso, nessun effetto memoria ed una lenta perdita della carica quando non è in uso. Una versione più avanzata della batteria litio-ione è l’accumulatore ai polimeri di Litio.

Le batterie al Li-Ion possono essere costruite in una vasta gamma di forme e dimensioni, in modo da riempire efficientemente gli spazi disponibili nei dispositivi che le utilizzano.
Tali batterie sono anche più leggere delle equivalenti fabbricate con altri componenti chimici perché gli ioni di litio hanno una densità di carica molto elevata. Inoltre una batteria basata sul litio è più piccola di una con elementi di idrogeno, come le batterie all’idruro metallico di nichel, e con meno gas volatili.
Gli ioni necessitano di meno intermediari per l’immagazzinaggio, così più peso della batteria è utilizzabile per la carica.

Le batterie Li-ion non soffrono dell’effetto memoria.
Hanno anche un basso ritmo di auto-scarica approssimativamente del 5% mensile, paragonato al 20%, 30% mensile delle batterie NiCd e NiMh.
Le batterie Li-Ion non hanno processi di auto-scarica nel significato abituale della parola, ma soffrono di una lenta perdita permanente di capacità a causa del piccolo consumo del circuito di monitoraggio del voltaggio inserito in esse; questo consumo è la sorgente più importante di auto-scarica in queste batterie.

L’unico svantaggio della batteria al Li-Ion è che presenta un degrado progressivo anche se non viene utilizzata a partire dal momento della fabbricazione, indipendentemente dal numero di cicli di carica/scarica.
Ad un livello di carica del 100%, una tipica batteria Li-Ion caricata al 25% e conservata a 25° C perderà irreversibilmente circa il 20% della sua capacità all’anno. Questo tipo di degrado peggiora con l’aumento della temperatura di conservazione e dello stato di carica.
Per questo gli accumulatori Li-Ion non sono adatti ad essere usati come fonte secondaria di energia: per questa applicazione sono più indicati gli accumulatori al piombo, o anche le batterie al Ni-Mh.
Dato che
la potenza massima che può essere continuamente prelevata dalla batteria dipende dalla sua capacità, nei dispositivi che richiedono alta potenza (relativa alla capacità della batteria espressa in Ah), le batterie al Li-Ion spesso si guastano bruscamente anziché mostrare una graduale diminuzione della durata di uso dell’equipaggiamento.

Al contrario, i dispositivi che richiedono bassa potenza, possono sfruttare l’intero ciclo di vita della batteria.Una pila al Li-Ion singola non va mai scaricata sotto una certa tensione, per evitare danni irreversibili.
Di conseguenza tutti i sistemi che utilizzano batterie al Li-Ion sono equipaggiati con un circuito che spegne il sistema quando la batteria viene scaricata sotto la soglia predefinita.
Dovrebbe dunque essere impossibile scaricare la batteria “profondamente” in un sistema progettato correttamente durante il normale uso.
Quando il circuito di monitoraggio della tensione è montato all’interno della batteria (la cosiddetta “batteria intelligente”) anziché come equipaggiamento esterno, e consuma continuamente una piccola corrente dalla batteria anche quando non è in uso, la batteria non va a maggior ragione immagazzinata per lunghi periodi completamente scarica, per evitare danni permanenti.

La chimica delle batterie Li-Ion non è sicura come le altre, e una pila al Li-Ion richiede diversi sistemi di sicurezza obbligatori al suo interno, questi includono un interruttore termico (per prevenire il surriscaldamento in caso di sovraccarico) e una linguetta di sicurezza con valvola di sfiato (per rilasciare la pressione interna).

Il numero di caratteristiche di sicurezza può essere paragonato con quello della pila al nichel cadmio, la quale ha solo un sistema di ricombinazione dell’idrogeno/ossigeno (che previene il danno da lieve sovraccarica) e una valvola per il back-up della pressione.Una reazione chimica tipica della batteria al Li-Ion è come segue:

Li½ CoO2 + Li½  C6  + LiCoO2

Le batterie agli ioni di litio hanno una tensione di circuito aperto nominale di 3.6 V e una tensione di ricarica tipica di 4.2 V.

La procedura di ricarica è a tensione costante con limite di corrente.
Questo significa caricare con corrente costante finché una tensione di 4.2 V viene raggiunta dalla pila e continua con tensione costante finché la corrente diventa nulla o quasi. (Tipicamente la carica viene terminata al 7% della corrente iniziale di carica).

Le vecchie batterie agli ioni di litio non potevano essere caricate velocemente e necessitavano tipicamente di almeno 2 ore per ricaricarsi completamente.
Le pile della generazione attuale si ricaricano completamente in 45 minuti o meno; alcune raggiungono il 90% di carica in appena 10 minuti.Il design interno delle pile a ione di litio è come segue.
L’anodo è fatto con carbonio, il catodo è un ossido metallico, e l’elettrolita è un sale di litio in solvente organico. Poiché il metallo di litio, che potrebbe essere prodotto in condizioni irregolari di ricarica, è molto reattivo e può causare esplosioni, le pile agli ioni di litio solitamente hanno incorporati circuiti elettronici protettivi e/o fusibili per evitare l’inversione di polarità, sovraccarichi di tensione e surriscaldamento.
Un elemento particolarmente importante per attivare le batterie agli ioni di litio è l’interfase elettrolitico solido.

Gli elettroliti liquidi nelle batterie agli ioni di litio consistono in elettroliti di sali di litio, come l’esafluorofosfato (LiPF6), il tetrafluoborato (LiBF4), o il perclorato (LiClO)4, e solventi organici, come l’etere. Un elettrolito liquido conduce ioni di litio, il quale agisce come trasporto tra il catodo e l’anodo quando una batteria fa passare una corrente elettrica attraverso un circuito esterno. Tuttavia, elettroliti solidi e solventi organici si decompongono facilmente sugli anodi durante la carica, impedendo l’attivazione della batteria.
Eppure, quando solventi organici appropriati vengono usati come elettroliti, gli elettroliti si decompongono e formano un’interfaccia elettrolitica solida alla prima carica che è isolante elettricamente e altamente conduttiva per gli ioni di litio. L’interfaccia previene la decomposizione degli elettroliti dopo la seconda carica. Per esempio, il carbonato di etilene si decompone relativamente ad un alto voltaggio, e forma una interfaccia forte e stabile.
A differenza delle batterie al nichel-cadmio, le batterie agli ioni di litio andrebbero caricate presto e spesso.
Se non vengono utilizzate per un lungo periodo, andrebbero caricate a circa il 40%. Le batterie agli ioni di litio non andrebbero mai “ciclate profondamente” come quelle al Nichel-Cadmio.
Le batterie al Li-Ion andrebbero mantenute fredde. Idealmente mantenute in un frigorifero. L’invecchiamento è molto più rapido alle alte temperature.
C’è un significativo beneficio nell’evitare di depositare una batteria agli ioni di litio a piena carica.

Una batteria Li-Ion depositata al 40% di carica durerà molte più volte di una depositata al 100%, particolarmente alle alte temperature.
Se una batteria agli ioni di litio viene depositata con troppa poca carica, c’è il rischio di permettere alla carica di cadere sotto la soglia di basso-voltaggio, risultando in una batteria irrecuperabile. Una volta che la carica è scesa sotto tale livello, ricaricarla può essere pericoloso.
Un circuito interno di sicurezza si aprirà per impedire la ricarica, e la batteria sarà completamente inutilizzabile per tutti gli scopi pratici.
In circostanze in cui una seconda batteria al litio è disponibile, è raccomandabile che la batteria inutilizzata sia scaricata al 40% e messa in frigorifero per prolungare la sua vita di scaffale. Bisognerebbe dare alle batterie il tempo di riscaldarsi alla temperatura ambiente per 24 ore prima di ogni carica o scarica.

La cella piombo-acida è il costituente fondamentale dei comuni accumulatori per auto. Utilizzano un anodo fatto di polvere di piombo (Pb) spugnosa e un catodo di diossido di piombo (PbO2).L’elettrolita è una soluzione di acido solforico(H2SO4) 4,5 M.
La differenza di potenziale ai poli è di 2 V infatti per arrivare ai comuni 12V occorrono sei celle piombo-acide in serie, che generano una differenza di potenziale complessiva di 12 V.
Negli accumulatori moderni, infine, si utilizza una lega di piombo che inibisce l’elettrolisi dell’acqua, potenzialmente pericolosa in quanto producendo idrogeno e ossigeno gassosi è a rischio di esplosioni.
Reazione chimica all’anodo (ossidazione) Pb + HSO4 -> PbSO4 + H+ + 2e

Reazione chimica al catodo (riduzione) PbO2 + 3H+ + HSO4 + 2e -> PbSO4 + 2H2O

Reazione completa PbO2 + Pb + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O

Nonostante il piombo sia un materiale molto tossico e che sottoposto a stress meccanico perde gran parte delle sue capacità ha comunque il grande vantaggio erogare correnti molto elevate, essere molto affidabile e di lunga vita, funzionando bene anche a basse temperature.