TIPI, CARATTERISTICHE E REAZIONI DELLA BATTERIA - CHIMICA - 2025

Sul mercato è possibile ottenere diversi tipi di batterie con le proprie caratteristiche . Le batterie, che non sono altro che celle voltaiche, offrono ai consumatori il vantaggio di portare con sé l'elettricità ovunque (purché le condizioni non siano drastiche).

Le batterie possono essere generalmente acquistate isolate; ma sono anche realizzati accoppiati tra loro in serie o in parallelo, il cui set diventa quello che chiamano batterie. Ed è così che a volte i termini "batterie" e "batterie" vengono utilizzati indiscriminatamente, anche quando non sono la stessa cosa.

Batterie alcaline: uno dei tipi di batterie più diffusi. Fonte: Pexels.

Le pile possono avere innumerevoli colori, forme e dimensioni, proprio come possono essere realizzate con altri materiali. Allo stesso modo, e soprattutto, la sua struttura interna, dove avvengono le reazioni chimiche che generano elettricità, serve a differenziarle l'una dall'altra.

Ad esempio, l'immagine sopra mostra tre batterie alcaline, una delle più comuni. Il termine alcalino si riferisce al fatto che il mezzo in cui avviene il rilascio e il flusso di elettroni è di base; cioè, ha un pH maggiore di 7 e OH ^- predominano gli anioni e altre cariche negative.

Classifica generale

Prima di affrontare alcuni dei diversi tipi di batterie disponibili, è necessario sapere che queste sono classificate globalmente come primarie o secondarie.

Primario

Le batterie primarie sono quelle che, una volta consumate, devono essere scartate o riciclate, poiché la reazione chimica su cui si basa la corrente elettrica è irreversibile. Pertanto, non possono essere ricaricati.

Sono utilizzati principalmente in applicazioni dove non è pratico ricaricare l'energia elettrica; come nei dispositivi militari, nel mezzo del campo di battaglia. Allo stesso modo, sono progettati per apparecchiature che consumano poca energia, in modo che durino più a lungo; ad esempio, telecomandi o console portatili (come Gameboy, Tetris e Tamagotchi).

Al tipo primario appartengono anche le batterie alcaline, per citare un altro esempio. Di solito hanno forme cilindriche, anche se questo non implica che le batterie cilindriche non possano essere secondarie o ricaricabili.

liceo

A differenza delle batterie primarie, le batterie secondarie possono essere ricaricate una volta esaurite.

Questo perché le reazioni chimiche che avvengono al loro interno sono reversibili e quindi, dopo aver applicato una certa tensione, fa sì che la specie prodotto diventi nuovamente reattiva, ricominciando così la reazione.

Alcune celle secondarie (chiamate batterie) sono generalmente piccole, come quelle primarie; tuttavia, sono destinati a dispositivi che consumano più energia e per i quali l'uso di batterie primarie sarebbe poco pratico dal punto di vista economico ed energetico. Ad esempio, le batterie dei telefoni cellulari contengono celle secondarie.

Inoltre, le celle secondarie sono progettate per apparecchiature o circuiti di grandi dimensioni; ad esempio, batterie per auto, che sono costituite da più batterie o celle voltaiche.

Sono generalmente più costose delle celle e delle batterie primarie, ma per un uso a lungo termine finiscono per essere un'opzione più adatta ed efficace.

Altri aspetti

Le pile sono classificate come primarie o secondarie; ma commercialmente o popolarmente, sono solitamente classificati in base alla loro forma (cilindrica, rettangolare, a bottone), al dispositivo previsto (fotocamere, veicoli, calcolatrici), ai loro nomi (AA, AAA, C, D, N, A23, ecc. ) e i loro codici IEC e ANSI.

Inoltre, caratteristiche come la loro tensione (da 1,2 a 12 volt), così come la loro vita utile e i prezzi, sono responsabili di dare loro una certa classificazione agli occhi del consumatore.

Elenco dei tipi di batteria

-Carbonzinco

Le batterie carbonio-zinco (note anche come celle Leclanché o batterie saline) sono una delle più primitive, e attualmente sono considerate quasi in disuso rispetto ad altre batterie; soprattutto, rispetto alle batterie alcaline, che sebbene siano un po 'più costose, hanno una durata e voltaggi maggiori.

Come suggerisce il nome, i suoi elettrodi sono costituiti da una lattina di zinco e un'asta di grafite, corrispondenti rispettivamente all'anodo e al catodo.

Nel primo elettrodo, l'anodo, gli elettroni sono originati dall'ossidazione dello zinco metallico. Questi elettroni viaggiano quindi attraverso un circuito esterno che fornisce energia elettrica al dispositivo, per poi finire al catodo di grafite, dove si completa il ciclo riducendo il biossido di manganese in cui è immerso.

Reazioni

Le equazioni chimiche per le reazioni che avvengono agli elettrodi sono:

Zn (s) → Zn ²⁺ (ac) + 2e ^- (Anodo)

2 MnO ₂ (s) + 2e ^- + 2 NH ₄ Cl (aq) → Mn ₂ O ₃ (s) + 2 NH ₃ (aq) + H ₂ O (l) + 2 Cl ^- (aq) (Catodo)

Queste batterie sono molto simili alle batterie alcaline: entrambe sono cilindriche (come quella nell'immagine). Tuttavia, le batterie carbonio-zinco possono essere distinte se le caratteristiche etichettate all'esterno vengono lette in dettaglio, o se il loro codice IEC è preceduto dalla lettera R. La loro tensione è 1,5 V.

-Alcalino

Le batterie alcaline sono molto simili al tipo carbonio-zinco, con la differenza che il mezzo in cui si trovano gli elettrodi contiene OH ^- anioni . Questo mezzo è costituito da forti elettroliti di idrossido di potassio, KOH, che contribuisce con l'OH ^- che partecipano e "collaborano" alla migrazione degli elettroni.

È disponibile in diverse dimensioni e tensioni, anche se il più comune è 1,5 V. Sono forse le batterie più conosciute sul mercato (Duracell, per esempio).

Le reazioni che si verificano ai tuoi elettrodi sono:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- (Anodo)

2MnO ₂ (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- → Mn ₂ O ₃ (s) + 2OH ^- (aq) (Catodo)

All'aumentare della temperatura, più velocemente si verificano le reazioni e più velocemente le batterie si scaricano. È interessante notare che si sono diffuse voci popolari per metterli nel congelatore per aumentare la loro durata; Tuttavia, una volta raffreddato, il suo contenuto può subire una possibile solidificazione che può portare a successivi difetti o rischi.

Mercurio

Probabile batteria al mercurio, che può essere confusa con la batteria all'ossido d'argento. Fonte: Multicherry.

Le batterie al mercurio sono molto caratteristiche per la loro particolare forma di bottoni d'argento (immagine sopra). Quasi tutti li riconoscerebbero a prima vista. Sono anche alcalini, ma il loro catodo incorpora, oltre a grafite e biossido di manganese, ossido di mercurio, HgO; che, dopo essere stato ridotto, si trasforma in mercurio metallico:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^-

HgO (s) + H ₂ O + 2e ^- → Hg (s) + 2OH ^-

Si noti come OH ^- anioni vengono consumati e rigenerati in queste reazioni cellulari .

Essendo piccole batterie, è destinato a piccoli dispositivi, come orologi, calcolatrici, controlli di giocattoli, ecc. Chiunque abbia utilizzato uno di questi oggetti si sarà reso conto che non è necessario cambiare le batterie per quasi "un'eternità"; che equivarrebbe a 10 anni circa.

Ossido d'argento

Batterie all'ossido d'argento. Fonte: Lukas A, CZE.

Il principale difetto delle batterie al mercurio è che quando scartate rappresentano un grave problema per l'ambiente, a causa delle caratteristiche tossiche di questo metallo. Forse è per questo che manca i codici IEC e ANSI. Per le batterie all'ossido di argento, il loro codice IEC è preceduto dalla lettera S.

Uno dei sostituti delle batterie al mercurio corrisponde alla batteria all'ossido di argento, molto più costosa, ma con un minore impatto ecologico (immagine in alto). In origine contenevano mercurio per proteggere lo zinco dalla corrosione alcalina.

È disponibile con una tensione di 1.5V e le sue applicazioni sono molto simili a quelle della batteria al mercurio. In effetti, a prima vista entrambe le batterie sembrano identiche; sebbene ci possano essere pile di ossido d'argento molto più grandi.

Le reazioni ai suoi elettrodi sono:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → Zn (OH) ₂ (s) + 2 e ^-

Ag ₂ O (s) + 2H ⁺ (aq) + 2e ^- → 2Ag (s) + H ₂ O (l)

Successivamente l'acqua subisce l'elettrolisi, decomponendosi in ioni H ⁺ e OH ^- .

Si noti che invece del mercurio, si forma argento metallico sul catodo.

-Nichel-cadmio (NiCad)

Batteria NiCd. Fonte: LordOider.

Da questo punto si considerano le celle o le batterie secondarie. Come le batterie al mercurio, le batterie al nichel-cadmio sono dannose per l'ambiente (per la fauna e la salute) a causa del cadmio metallico.

Sono caratterizzati dalla generazione di correnti elettriche elevate e possono essere ricaricati un gran numero di volte. Infatti, possono essere ricaricate in totale 2000 volte, il che equivale a una durata straordinaria.

I suoi elettrodi sono costituiti da ossido di nichel idrossido, NiO (OH), per il catodo e cadmio metallico per l'anodo. La logica chimica, in sostanza, rimane la stessa: il cadmio (invece dello zinco) perde gli elettroni e il cadmio NiO (OH) li guadagna.

Le reazioni semicellulari sono:

Cd (s) + 2OH ^- (aq) → Cd (OH) ₂ (s) + 2e ^-

2NiO (OH) (s) + 2H ₂ O (l) + 2e ^- → 2Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq)

Le OH ^- anioni , ancora una volta, provengono dalla elettrolita KOH. Le batterie NiCad, quindi, finiscono per generare idrossidi metallici di nichel e cadmio.

Sono usati singolarmente o accoppiati in confezioni (come quello in giallo, immagine sopra). Quindi sono disponibili in pacchetti grandi o piccoli. I più piccoli trovano impiego nei giocattoli; ma quelli grandi sono usati per aerei e veicoli elettrici.

-Nichel-metallo idruro (Ni-HM)

Batterie Ni-HM. Fonte: Ramesh NG da Flickr (https://www.flickr.com/photos/rameshng/5645036051)

Un'altra ben nota cella o batteria, che supera NiCad in capacità energetiche, è Ni-HM (nichel e idruro di metallo). Può essere in formato cilindrico (batterie convenzionali, immagine sopra) o accoppiato a una batteria.

Chimicamente, ha quasi le stesse caratteristiche delle batterie NiCad, con la principale differenza è il suo elettrodo negativo: il catodo non è cadmio, ma una lega intermetallica di terre rare e metalli di transizione.

Questa lega è responsabile dell'assorbimento dell'idrogeno formatosi durante la carica, generando un complesso idruro metallico (da cui la lettera H nel suo nome).

Sebbene le batterie Ni-HM forniscano più potenza (circa il 40% in più), sono più costose, si consumano più rapidamente e non possono essere ricaricate lo stesso numero di volte delle batterie NiCad; ovvero, hanno una vita utile più breve. Tuttavia, mancano dell'effetto memoria (perdita di prestazioni delle batterie per non essere completamente scariche).

È per questo motivo che non devono essere utilizzati in macchinari che funzionano a lungo termine; sebbene questo problema sia stato alleviato con le batterie LSD-NiHM. Allo stesso modo, le celle o le batterie Ni-HM hanno caratteristiche termiche molto stabili, essendo utilizzabili in un ampio intervallo di temperature senza rappresentare un rischio.

Reazioni

Le reazioni che si verificano ai tuoi elettrodi sono:

Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq) ⇌ NiO (OH) (s) + H ₂ O (l) + e ^-

H ₂ O (l) + M (s) + e ^- ⇌ OH ^- (aq) + MH (s)

-Ion-litio

Batteria agli ioni di litio per laptop. Fonte: Kristoferb da Wikipedia.

Nelle celle e nelle batterie al litio si basano sulla migrazione di ioni Li ⁺ , che vengono trasferiti dall'anodo al catodo, prodotto delle repulsioni elettrostatiche dovute alla carica positiva crescente.

Alcuni possono essere ricaricati, come le batterie dei laptop (immagine in alto), e altri, le batterie cilindriche e rettangolari (LiSO ₂ , LiSOCl ₂ o LiMnO ₂ ) non possono.

Le batterie agli ioni di litio si caratterizzano per essere molto leggere ed energetiche, il che consente loro di essere utilizzate in molti dispositivi elettronici, come smartphone e apparecchiature mediche. Allo stesso modo, difficilmente soffrono dell'effetto memoria, la loro densità di carica supera quella delle celle e delle batterie NiCad e Ni-HM e richiedono più tempo per scaricarsi.

Tuttavia, sono molto sensibili alle alte temperature, anche quando esplodono; inoltre, tendono ad essere più costose rispetto ad altre batterie. Tuttavia, le batterie al litio sono viste favorevolmente sul mercato e molti consumatori le valutano come le migliori.

-Piombo acido

Tipica batteria al piombo per automobili. Fonte: Tntflash

E infine, i batteri al piombo, come suggerisce il nome, non contengono ioni OH ^- ma H ⁺ ; in particolare, una soluzione concentrata di acido solforico. Le celle voltaiche si trovano all'interno delle loro scatole (immagine in alto), dove tre o sei di esse possono essere accoppiate in serie, dando rispettivamente una batteria da 6 o 12 V.

È in grado di generare grandi quantità di carica elettrica, e poiché sono molto pesanti, sono destinati ad applicazioni o dispositivi che non possono essere trasportati manualmente; per esempio, automobili, pannelli solari e sottomarini. Questa batteria ad acido è la più antica ed è ancora in circolazione nell'industria automobilistica.

I suoi elettrodi sono fatti di piombo: PbO ₂ per il catodo e piombo metallico spugnoso per l'anodo. Le reazioni che si verificano in essi sono:

Pb (s) + HSO ^- ₄ (aq) → PbSO ₄ (s) + H ⁺ (aq) + 2e ^-

PbO ₂ (s) + HSO ^- ₄ (aq) + 3H ⁺ (aq) + 2e ^- → PbSO ₄ (s) + 2H ₂ O (l)

Riferimenti

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