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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.