Batterie: cosa è importante sapere.

 

LE BATTERIE AL PIOMBO

Un accumulatore al piombo è costituito da una cella elettrochimica nella quale le sostanze che agiscono come materie attive sono:

  1. Biossido di piombo(PbO2) all’elettrodo positivo
  2. Piombo spugnoso (Pb) all’elettrodo negativo
  3. Elettrolito costituito da una soluzione in acqua d’acido solforico (H2SO4)

Durante la costruzione della cella entrambe le piastre vengono ricoperte da uno strato di Piombo,con differenti additivi per le due piastre,sotto forma di una miscela polverizzata molto fine.  Queste  appaiono come due strutture metalliche rigide. Quando poi s’immergono nella soluzione,si “ammorbidiscono”.

L’elettrolito è formato da acqua che serve solo per diluire l’acido solforico. Si definisce acido ogni sostanza che contiene uno o più atomi di idrogeno sostituibili da atomi di metalli. Se l’acido contiene ossigeno si parla d’ossiacido e se contiene più di due atomi d’idrogeno si tratta d’acido polivalente.L’acido solforico H2SO4 è un ossiacido polivalente che durante la reazione chimica sostituisce l’idrogeno con il piombo.

Quando si deve formare un accumulatore al piombo, s’immergono nella soluzione due piastre di piombo che, essendo state esposte all’ aria, sono ricoperte d’ossido di piombo, PbO. Si connette una piastra al polo positivo e l’altra piastra al polo negativo di un generatore elettrico.  Inizia così la fase di prima carica: la piastra positiva si ricopre di biossido di piombo e acquista un colore rosso bruno, mentre la piastra negativa si riduce a piombo metallico di colore grigio.

La reazione complessiva di cella è una reazione detta di ossidoriduzione o redox. Una reazione è detta di riduzione quando viene sottratto ossigeno da una sostanza, per effetto delle sostanze riducenti che si legano all’ossigeno. Se, viceversa, viene ceduto ossigeno, si parla di ossidazione, e le sostanze che cedono ossigeno sono dette ossidanti. Le reazioni redox in cui sono presenti ioni (reazioni ioniche) sono caratterizzate dal passaggio di elettroni dal riducente all’ossidante. La dissoluzione di una sostanza con struttura ionica (elettrolito) in un solvente come l’acqua, le cui molecole sono dipoli, fa diminuire le forze elettrostatiche d’attrazione che uniscono gli ioni. Si ottengono nella soluzione anioni e cationi la cui concentrazione è limitata secondo un equilibrio chimico fra le molecole dissociate e gli ioni; la presenza di questi ioni è determinante per l’elettrolisi.

 

Processo di carica

Elementi della Batteria

Durante una fase di scarica l’elettrolito reagisce con le materie attive delle piastre trasformando sia il biossido di piombo delle positive, sia il piombo spugnoso delle negative in SOLFATO DI PIOMBO PbSO. Con il progredire della scarica si ha un consumo di acido solforico. Inoltre, si ha formazione di acqua.

Il processo di scarica determina una caduta del valore della tensione, dipendente dall’intensità della corrente di scarica, che diventa rapida quando viene raggiunto il valore di tensione di fine scarica  oltre il quale non è consigliato procedere.

Questo valore di tensione prende il nome di End Of Life Voltage o Cutoff Voltage e per le batterie al piombo a 25°C vale: EOLV (25°C) = 1,7 ¸ 1,8 VPC corrispondente ad una scarica pari all’100% della capacità nominale di targa in un regime a corrente costante; l’intervallo è in funzione della velocità di scarica come già osservato.

Si definisce scarica profonda (Deep discharge) un processo di scarica sotto il valore limite (cutoff  voltage) di 1,7¸1,8 VPC.

Si definisce sovrascarica (Overdischarge) una scarica oltre la scarica profonda. Nel caso, per la bassa solubilità del sale di solfato di piombo, si formano cristalli di solfato di piombo sugli elettrodi di notevoli dimensioni e irreversibili alla carica normale; si dice che la batteria è “SOLFATATA”.

La solfatazione (cristallizzazione del solfato di piombo) può avvenire anche per cortocircuiti interni degli elementi o densità troppo elevata dell’elettrolito o cariche insufficienti che si ripetono per tempi lunghi di utilizzo. Per eliminare la solfatazione è possibile sottoporre gli elementi interessati ad un trattamento particolare, consistente in cariche LENTE seguite da scariche e inframmezzate da periodo di riposo.

 

 Densità dell’elettrolito

Densimetro per la misurazione dell’acido

Scaricando la batteria, il biossido di piombo della piastra positiva e il piombo della piastra negativa si trasformano in solfato di piombo. Quindi le piastre si riduco materialmente e così anche la densità dell’elettrolito perché si ha consumo di acido solforico e formazione di acqua. Scaricando al regime delle 5 ore, la densità dell’elettrolito non dovrebbe scendere, in servizio normale a 30°C, al di sotto di 1,12¸1,13Kg/l.

In nessun caso la densità dell’elettrolito deve scendere al di sotto di 1,08Kg/l.

Durante la carica il solfato di piombo sulla piastra positiva si trasforma in biossido di piombo e quello della piastra negativa in piombo spugnoso. Nello stesso tempo si ha formazione di acido solforico e consumo di acqua. Cresce quindi la densità dell’elettrolito. La batteria si ritiene carica quando la densità dell’elettrolito raggiunge 1,27 – 1,29 Kg/l, e la sua ebollizione è intensa. Gli eventuali rabbocchi di acqua distillata vanno fatti solo alla fine della carica.

NB: La misura della densità va condotta dopo un periodo di riposo della batteria  dopo il ripristino dell’uniformità dell’elettrolito e a temperature ambiente di riferimento.

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Tipi di accumulatori al piombo per la trazione elettrica

 

Batterie al piombo

Gli elettrodi sono realizzati sotto forma di piastre costituite da supporti conduttori detti griglie che trattengono la materia attiva. Per motivi di carattere elettrochimico le griglie sono realizzate in piombo; per motivi di resistenza meccanica il piombo delle griglie è legato con alcuni componenti tra i quali molto diffuso è l’antimonio. Per diminuire l’ingombro e per migliorare  le prestazioni nelle scariche rapide gli elettrodi sono posti vicino tra loro, e per impedirne il contatto pur consentendo la conduzione ionica, tra loro vengono interposti i separatori. Le piastre possono essere realizzate con diverse tecnologie, e possono essere piane o tubolari. Quest’ultima tecnologia è particolarmente diffusa nella trazione elettrica per quanto riguarda la piastra positiva. La materia attiva è trattenuta da guaine di tessuto od altro materiale che  avvolgono i tubetti costituenti le piastre, questo impedisce alla materia attiva di sgretolarsi e cadere sul fondo a causa della forte reazione che avviene alla piastra e ciò consente una maggiore durata della batteria.

Sono in rapida diffusione gli accumulatori al piombo a ricombinazione, nei quali l’elettrolito anziché essere libero come in quelli tradizionali, è immobilizzato in vari modi all’interno del contenitore, reso ermetico (sealed), in modo da consentire la ricombinazione dell’idrogeno e dell’ossigeno che si sviluppano durante la fase della carica. Ciò è reso possibile anche dall’impiego del calcio, anziché dell’antimonio, come legante nella preparazione delle griglie. In questo modo l’operazione di rabbocco, necessaria per reintegrare l’acqua perduta durante la fase di carica, non risulta più necessaria. Tali accumulatori, non emettendo che minime quantità di idrogeno e sostanze corrosive, offrono maggiori garanzie di sicurezza, garantita anche dalla presenza di una valvola di sfogo che impedisce sovra pressioni.

 

Ø     VRLA (Valve regulated lead Acid)

Sono batterie che hanno delle valvole unidirezionali a pressione al posto dei tappi per il rabbocco, che si aprono solo sotto condizioni estreme. È necessaria una cura nella composizione dell’elettrolito per ridurre la gassificazione per elettrolisi dell’acqua contenuta nell’elettrolito stesso. In tali batterie, infatti, si ha un sensibile aumento della tensione di gassificazione mediante l’uso di una lega priva  di antimonio. Come già detto, la maggior parte dell’ossigeno e dell’idrogeno  vengono  ritrasformati in acqua. È così possibile una ricarica mediante una procedura a fattore di sovraccarica ridotta.

Le soluzioni più comuni sono:

  • Con elettrolito immobilizzato sotto forma di gel.
  • Con separatori a microfibra di vetro che trattengono l’elettrolito (acido trattenuto) AGM  (Absorbed Glass Mat)

 

Batterie al Gel senza manutenzione

Batterie al gel
Batterie al gel

Essenzialmente l’idea è stata quella di trattenere l’acido in un gel speciale.

In contrasto con le batterie convenzionali, ciò previene quasi completamente l’emissione d’idrogeno ed ossigeno durante la reazione chimica, in particolare durante la ricarica. L’ossigeno è largamente “consumato” all’interno del gel dagli atomi d’idrogeno con i quali si ricombina.

Altra particolarità è quella di usare una lega di piombo calcio per le piastre invece che un legante come l’antimonio, e ciò riduce ancora la gassificazione in modo rilevante. Tutto ciò porta a non aver bisogno di ripristinare l’acqua per tutta la vita della batteria, e quindi nessun danno a causa della perdita d’acqua.

Senza gassificazione non c’è neanche perdita d’acido (fuoriuscita d’acido dalla batteria) e quindi assenza di corrosione nelle vicinanze della batteria.

 

Elettrolito gelificato

Nelle batterie tradizionali l’elettrolito, che giace tra le piastre positive e negative, consiste d’acido solforico in soluzione acquosa il quale può penetrare nelle cavità delle stesse piastre che sono costruite a tal proposito con un’area molto estesa per aumentare la reazione. Normalmente, l’elettrolito è liquido e riempie lo spazio della batteria. Nelle batterie senza manutenzione, l’acido è aggiunto sotto forma di gel. Durante il riempimento delle batterie, il gel ancora molto liquido può riempire tutte le cavità delle piastre. Subito dopo, il gel forma delle particelle interallacciate una con le altre e racchiude l’acido in piccole “gabbie”. Si formano inoltre delle leggere spaccature nel gel attraverso le quali l’ossigeno non può passare e quindi non può risalire fino alla cima della batteria, come nelle batterie convenzionali, ma rimane intrappolato in una sorta di labirinto. Benché l’acido sia ora racchiuso in queste “gabbie”, sia le molecole sia i gas si possono comunque muovere liberamente tra le piastre. Quindi la reazione chimica per la produzione di corrente può realizzarsi nel gel proprio come avviene effettivamente in una batteria convenzionale ad elettrolito liquido.

 

Ricombinazione dell’ossigeno

Durante la ricarica di una batteria tradizionale, nella fase così chiamata di “sovraccarica” si ha un forte sviluppo di gas. Questa fase è comunque necessaria per ottenere un fenomeno di rimescolamento dell’acido che tende a depositarsi, per gravità, sul fondo della batteria. La corrente di ricarica, durante questa fase, non interviene più a riformare la materia attiva sulle piastre, ma va a dissociare l’acido in modo indebito producendo il fenomeno della gassificazione. In particolare, la corrente provoca la produzione d’idrogeno alla piastra negativa e ossigeno a quella positiva, formando una miscela di gas potenzialmente esplosiva che è emessa all’esterno della batteria. Nelle batterie al gel, l’ossigeno prodotto all’elettrodo positivo è filtrato fino al 98% attraverso i canali formatosi nel gel fino all’elettrodo negativo. Qui incontra gli atomi d’idrogeno e si ricombina formando acqua. La gassificazione residua che rimane è circa 30 volte inferiore a quella delle batterie tradizionali.

 

Elementi di una batteria solfatata
Elementi di una batteria solfatata

Protezione contro la solfatazione

La solfatazione è uno dei maggiori nemici delle batterie piombo – acido. Normalmente sulla piastra negativa sono presenti dei piccoli cristalli di solfato di piombo. Durante la ricarica, la corrente è in grado di riconvertire questi cristalli in piombo. Comunque, dopo un lungo periodo d’immagazzinamento o dopo una scarica molto profonda, questi cristalli tendono a coagulare. Di conseguenza si riduce l’area attiva della piastra sulla quale la corrente di carica può agire e quindi si riduce la capacità di batteria. Il gel rappresenta un ostacolo alla crescita dei cristalli di solfato di piombo e quindi il fenomeno è molto meno sentito. Questo ha come conseguenza utile un miglioramento della capacità di ricarica della batteria.

 

Stratificazione dell’acido

Durante la ricarica viene formato acido solforico puro direttamente in prossimità delle piastre e, a causa della densità maggiore dell’acido rispetto a quella dell’acqua, questo tende a cadere sul fondo della batteria. Come risultato, nelle batterie tradizionali, dopo la ricarica la concentrazione d’acido in basso è molto maggiore di quella in alto nella batteria. Questo fenomeno è chiamato “stratificazione dell’acido” (acid layering). Ciò porta a produrre una fase extra nel ciclo di carica, detta di “sovraccarica” (overcharge) per ottenere il fenomeno dell’ebollizione e quindi il rimescolamento dell’acido. Nelle batterie al gel questo non è necessario perché la struttura del gel previene la caduta d’acido e quindi la ricarica può avvenire senza energia addizionale per l’ebollizione.

 

Sedimentazione sul fondo della batteria

Depositi di ossidi nella batteria al piombo
Depositi di ossidi

Durante la vita della batteria, particolarmente nell’utilizzo ciclico, le piastre vengono sottoposte a stress meccanico a causa dei continui cicli di scarica e carica. Questo provoca il naturale distacco di particelle di materia attiva le quali tendono a depositarsi sul fondo delle batterie nella zona detta di “sedimentazione”. Se questo fenomeno diviene di una certa entità allora c’è la possibilità che le piastre vengano messe in cortocircuito dai fanghi residui sul fondo. Con le batterie al gel questo fenomeno è decisamente ridotto in quanto la struttura gel impedisce alle particelle di cadere sul fondo e rimangono immobili all’interno del gel stesso.

 

 

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