Pile, batterie, accumulatori: chi li ha inventati, come funzionano, usi, vantaggi e svantaggi dei diversi tipi. Presentazione di Alessandro Z., 2^ ist. tecn. A.F.&M., 2016.

1. PILE E ACCUMULATORI
Alessandro Z., 2^ Ist.Tecnico AFM, anno scolastico 2015/16

2. CHE COS’È UNA PILA
Una pila è un sistema nel quale l’energia chimica viene trasformata in
energia elettrica.
La pila viene chiamata anche batteria, perché tutte e due hanno un
componente elettrico in grado di fornire energia elettrica, ma si distinguono
per il fatto che le pile hanno una disposizione verticale delle diverse celle
(una sopra l’altra), mentre le batterie hanno una disposizione in orizzontale
(una di fianco all’altra).
Un insieme di più batterie disposte in serie prende invece il nome di pacco
batteria.

3. pila
batteria

4. CHE COS’È UN ACCUMULATORE
Un accumulatore è un apparecchio capace di
accumulare energia e di restituirla.
I gruppi di 2 elementi o celle,
collegati elettricamente in serie, vengono chiamati
batterie ricaricabili se disposti affiancati in fila,
pile secondarie se sovrapposti uno sull'altro.
Le caratteristiche fondamentali sono
la tensione ai morsetti (espressa in volt) e
la capacità (espressa in ampere/ora).

5. ALESSANDRO
VOLTA
Alessandro Volta (1745-1827), fisico italiano, riprese
gli studi di Luigi Galvani sulla corrente elettrica.
In contrasto con Galvani, che sosteneva l’origine
fisiologica dell’elettricità, riuscì a dimostrare che
l’energia era prodotta dal contatto di due metalli
diversi.
Tra questi metalli si crea una differenza di potenziale
(ddp) che si misura tra due punti del materiale che, a
causa della sua bassa conducibilità elettrica, viene
usato come isolante.

6. Questa ddp dipende…
 dalla natura chimica dei due metalli,
 dalle loro caratteristiche fisiche,
 dall’isolante nel quale sono posti.
Nel 1799 Volta realizza la prima pila
voltaica.
ALESSANDRO
VOLTA

7. LE LEGGI DI
VOLTA
Volta, dai suoi esperimenti con la pila voltaica ricavò tre leggi:
prima legge: Il contatto tra due metalli diversi
alla stessa temperatura
fa sì che si stabilisca una differenza di potenziale
caratteristica della natura dei metalli
che non dipende dall’estensione del contatto (effetto volta).
❶

8. LE LEGGI DI
VOLTA
seconda legge: In una catena di conduttori metallici
diversi tra loro e posti alla stessa temperatura,
la differenza di potenziale tra i due metalli estremi
è la stessa che si avrebbe se essi fossero a contatto diretto.
❷

9. LE LEGGI DI
VOLTA
terza legge: tra due metalli della stessa natura
si ha una differenza di potenziale
se essi sono gli estremi di una catena di conduttori
della quale fanno parte due metalli diversi
con interposto un conduttore di seconda classe.
❸

10. FUNZIONAMENTO DELLA
PILA DI VOLTA
La pila di Volta consiste in dischetti di rame e zinco
alternati (rame-zinco-acido solforico Zn2SO4 -rame-zinco
ripetuti) in verticale in una struttura di legno.
Vengono collegati il primo e l’ultimo dischetto della
colonna con un filo di rame. Tra i dischetti si crea una
ddp che produce il passaggio di corrente.
Durante il funzionamento lo zinco si consuma mentre il
rame no (al limite si ossida).

11. FUNZIONAMENTO DELLA
PILA DI VOLTA
I due metalli a contatto con la soluzione elettrolitica
tendono a caricarsi; lo zinco negativamente e il rame
positivamente generando una piccola ddp che,
misurata con un voltometro, è di circa 0,7V.
Sommando i ddp delle diverse coppie di dischi,
otteniamo la ddp della pila.

12. DA VOLTA
AI GIORNI NOSTRI
1801
• Volta illustra la sua invenzione a Napoleone Bonaparte e in seguito la
presenta all’Istitut National des Sciences et Arts di Parigi
1812
• Giuseppe Zanaboni inventa la prima pila a secco, al biossido di manganese
1816
• pila a tazze di William Wollaston
1836
• pila Daniell
1838
• pila di Grove

13. DA VOLTA
AI GIORNI NOSTRI
1838 • Pila di Bunsen
1844
• per mezzo di batterie viene prodotta energia elettrica per far funzionare il
telegrafo
1859
• viene realizzato da Gaston Planté il primo accumulatore
1866
• Georges Leclanché brevetta l’antenato della pila a secco (ma ancora con
soluzione acquosa)
1869
• viene inventata la dinamo, che produce elettricità senza utilizzare materiali
chimici

14. DA VOLTA
AI GIORNI NOSTRI
1893 • viene inventata la pila Weston
1914
• Charles Féry inventa la pila zinco-aria
1936
• viene ideata una pila a metano da Baur e Preis
1942
• Ruben inventa la pila al mercurio
1950
• Ruben inventa la pila all’ossido di argento
• Urry inventala prima batteria alcalina (Urry)

15. DA VOLTA
AI GIORNI NOSTRI
1957
• inizia la commercializzazione delle pile al mercurio
1963
• le celle a combustibile vengono utilizzate per la prima volta su un veicolo spaziale
1970
• inizia la commercializzazione su larga scala delle prime pile non ricaricabili al
litio
1970
• viene realizzata la pila alluminio-aria
1990
• vista la loro tossicità, iniziano i divieti per la produzione delle pile al mercurio

16. Pila Planté Pila Bunsen Pila di GrovePila di Daniell
Pila di Zamboni Pila Leclanché Pila Wollaston

17. Il principio fisico-chimico sul quale si basa
il funzionamento di una pila è una
reazione di ossidoriduzione che avviene
al suo interno.
In essa una sostanza subisce un processo
di ossidazione, perdendo elettroni, e
l’altra quello di riduzione, acquistandoli.
FUNZIONAMENTO
DELLA PILA

18. Il modo in cui è fatta una pila permette
di intercettare e sfruttare il flusso di
elettroni tra le due sostanze. Questo
flusso genera corrente elettrica continua.
Il suo potenziale elettrico è dato dalle
reazioni che avvengono.
Quando queste reazioni raggiungono
uno stato di equilibrio, la pila si scarica.
FUNZIONAMENTO
DELLA PILA

19. CLASSIFICAZIONE
DELLE PILE
Le pile possono essere classificate in due categorie fondamentali:
 batterie primarie, che si esauriscono e, dopo che si sono scaricate,
devono essere smaltite;
 batterie secondarie, che sono ricaricabili e riutilizzabili molte volte
perché è possibile forzare in senso inverso la reazione di scarica.
Alla prima categoria appartengono le comuni pile a secco, alla seconda i
cosiddetti accumulatori.

20. CLASSIFICAZIONE
DELLE PILE
Gli accumulatori possono essere portatili, industriali o per veicoli.
 Gli accumulatori portatili sono pile, ma come già accennato, sono
ricaricabili.
 Gli accumulatori industriali e per veicoli sono molto diffusi perché
comprendono sia gli accumulatori che consentono l’avviamento di auto,
moto e imbarcazioni, che quelli utilizzati per scopi industriali, ad esempio
nei gruppi di continuità.

21. CLASSIFICAZIONE
DELLE PILE
Tentare di ricaricare batterie non ricaricabili (primarie)
può provocare un pericoloso surriscaldamento dell‘elettrolita
fino a provocarne la fuoriuscita o l'esplosione.

22. BATTERIE PRIMARIE
Vi sono sei differenti tipologie di pile, suddivise in base alla loro
composizione:
1. Zinco-carbone, in grado di generare energia destinata a piccoli
apparecchi domestici a basso consumo, quali radio, sveglie, telecomandi,
orologi e torce elettriche;
2. Zinco-cloruro, si basa sulla stessa tecnologia della pila zinco-carbone,
ma utilizza come elettrolita una soluzione acquosa di cloruro di zinco;
3. Alcalino-manganese, usate per fornire energia ad apparecchi che
consumano un elevato quantitativo di corrente. Possiede una capacità
triplicata rispetto ad una pila zinco-carbone;

23. 4. Litio, utilizzate nell’alimentazione di apparecchi tecnologicamente
avanzati, con una durata cinque volte superiore alle pile alcaline;
5. Zinco-aria, impiegate in dispositivi specifici, come apparecchi acustici e
pacemaker;
6. Ossido d’argento, riconoscibili dalla loro particolare forma a bottone.
BATTERIE PRIMARIE

24. In base ai loro componenti, gli accumulatori sono ripartibili in tre
categorie:
 Nichel-cadmio;
 Nichel-idruro metallico;
 Ioni di litio
BATTERIE SECONDARIE O
ACCUMULATORI

25. Alcuni tipi di batterie ricaricabili, se ripetutamente caricate prima che la
loro carica sia completamente esaurita, "ricordano" la capacità
energetica precedente alla ricarica.
Ad esempio se di una batteria completamente carica si utilizza il 60% e
successivamente si ricarica, il 40% dell'energia aggiunta non viene
riconosciuta e risulta quindi inutilizzabile.
Le batterie maggiormente soggette a questo fenomeno sono quelle al
nichel-cadmio e, in misura minore, quelle al nichel-idruro metallico.
BATTERIE SECONDARIE O
ACCUMULATORI

26. La prima pila a secco prodotta fu quella zinco-carbone nel 1886
brevettata da Carl Grassner, che sviluppò un prototipo inventato e
brevettato da Georges Leclanché nel 1866.
Ha forma cilindrica, ed è costituita da un anodo di zinco (Zn) metallico
alla base inferiore e su tutto il resto della superficie cilindrica. Al suo
interno una pasta di biossido di manganese (MnO2) e cloruro di
ammonio (NH4Cl) insieme alla polvere di carbone. Il catodo è una
barretta di grafite immersa in questa pasta e coperta da un cappuccio
metallico che sporge dalla base superiore del cilindro.
PILE ZINCO-CARBONE
E ZINCO-CLORURO

27. Per evitare il corto circuito tra catodo e anodo vi è una plastica
sigillante che divide il cappuccio metallico dal contenitore di zinco.
La pila zinco-cloruro si differenzia da quella zinco-carbone perché
utilizza come elettrolita una soluzione acquosa di cloruro di zinco.
PILE ZINCO-CARBONE
E ZINCO-CLORURO

29. PILE ZINCO-CARBONE
E ZINCO-CLORURO
Svantaggi:
 il contatto tra zinco (Zn) e biossido di manganese (MnO2)
accelera il processo di ossidoriduzione e la pila tende a
scaricarsi anche a riposo;
 la parete di zinco, a causa dell’ossidazione, si assottiglia
e può perdere il contenuto interno.
È per questo che sono state gradualmente sostituite dalle
pile alcaline.

30. PILE
ALCALINE
Le pile alcaline furono inventate negli anni
cinquanta da un ingegnere canadese, Lewis Urry,
e costituiscono un’evoluzione rispetto alle pile
zinco-carbone, essendo anch’esse costituite da
biossido di manganese (MnO2) e zinco (Zn),
ma a differenza delle precedenti, lo zinco che
costituiva il contenitore esterno si trova in polvere
intorno all’anodo, che è costituito da una barra
inerte.
Le polveri sia di biossido di manganese che di
zinco sono immerse in una pasta gelatinosa
contenente idrossido di potassio (KOH).

31. PILE
ALCALINE
A differenza di quelle zinco-carbone, non si
liberano gas e non avvengono strane reazioni.
Non si consuma il contenitore della pila e non
ci sono perdite. Durano di più.
Sono, però, molto più costose.
Si utilizzano nelle torce, nei giocattoli, negli
strumenti elettrici ed elettronici in genere.

32. PILE ZINCO-ARIA
La prima pila zinco-aria realizzata da Charles Féry nel 1914 ma era
particolarmente ingombrante.
Negli anni ‘70 vennero ridotte di volume. Oggi hanno le dimensioni di un
bottone.
Le pile zinco-aria appartengono alla categoria delle celle a
combustibile, dove lo zinco è il combustibile e l'ossigeno è
il comburente.

33. PILE ZINCO-ARIA
Utilizzano un catodo a ossigeno (che riceve elettroni, riducendosi) e
un anodo di zinco (che cede elettroni, ossidandosi); analogamente alle
altre pile, il movimento di elettroni genera una ddp e quindi una tensione
elettrica.
Possono essere usate negli apparecchi acustici, di misurazione
cardiaca, strumenti elettrici ed elettronici a bassa potenza.

34. PILE ZINCO-ARIA
Hanno il vantaggio di essere piccole, di avere un’alta capacità
energetica e di avere un basso costo.
Gli svantaggi sono che funzionano male in ambiente secco e che sono
utilizzabili solo in piccoli strumenti.

35. PILA ZINCO-ARIA

36. Le pile al litio non si devono confondere con quelle agli ioni di litio,
che sono ricaricabili.
Inventate nel 1970 da varie compagnie americane e giapponesi, sono
generalmente a bottone o comunque di piccola forma.
Le batterie al litio utilizzano un anodo in graffite e vari componenti per
il catodo, mentre l’elettrolita è un sale di litio sciolto in un solvente
organico anidro. La base inferiore della batteria è composta da una
lastra metallica inerte che funge da anodo, mentre la base superiore è
costituita da una simile lastra metallica inerte che funziona da catodo.
PILE AL LITIO

37. Le due lastre sono unite da un anello di plastica sigillante che ne impedisce il
contatto fisico e quindi il corto circuito. All'interno, la base inferiore è a
contatto con uno o più strati di litio (Li) immersi in un solvente organico che
non rilascia ioni H+.
La base superiore è invece a contatto con un composto ossidante che può
diverso a seconda del tipo di batteria, anch'esso immerso nello stesso
solvente organico. Le due parti sono divise da un separatore poroso
permeabile agli ioni, ma non a composti solidi.
Nell'80% delle batterie al litio esistenti in commercio l'ossidante è biossido di
manganese (MnO2), e il solvente organico è carbonato di propilene
(CH3C2H3O2CO) o 1,2-dimetossietano (C4H10O2), dove si trova disciolto
come sale elettrolita (LiClO4).
PILE AL LITIO

38. PILE AL LITIO
La batteria al litio ha comportato una vera e propria rivoluzione nel
campo delle batterie. L’ossidazione del litio ha in assoluto il valore più
basso. Inoltre il Li è leggero (6,9 g/mol) e permette di produrre
batterie con alti valori di ddp (3 V) ed energia specifica (0,83-
1,01 kj/g di batteria), ma di piccole dimensioni e alto potenziale.
Le batterie al litio sono altamente affidabili, durano molto a lungo
(10-15 anni) e hanno un basso valore di scarica a riposo (circa 2%
all'anno)…

39. PILE AL LITIO
… inoltre hanno un abbassamento del ddp lento e prevedibile, e sono
sigillabili perché non liberano H2 gassoso.
Queste ultime due caratteristiche sono molto utili per dispositivi
impiantabili per via chirurgica.
Gli unici difetti sono i costi elevati, la bassa capacità e
l'infiammabilità (data dalla presenza di un solvente organico invece
che uno acquoso).

40. PILE AL LITIO

41. Le prime batterie ad argento sono entrate
in commercio negli anni ’50.
Sono, generalmente, a bottone come quelle
al litio e strutturate come queste.
All’interno si trovano due paste gelatinose
alcaline di idrossido di potassio (KOH) a
contatto con la base superiore ed inferiore.
Queste due paste contengono
rispettivamente polvere di zinco (Zn) e
polvere di ossido di argento (Ag2O).
BATTERIE AD
ARGENTO

42. La batteria ha il vantaggio di essere
piccola, ma la presenza dell’argento la
rende costosa.
Infatti viene utilizzata in aeronautica
(militare, civile e spaziale), con dimensioni
molto più grandi, e in apparecchiature
elettriche ed elettroniche di piccole
dimensioni.
BATTERIE AD
ARGENTO

43. ACCUMULATORI
NICHEL-CADMIO
La prima batteria al nichel-cadmio fu inventata nel 1899 dallo svedese
Waldemar Jungner.
Usata spesso in apparecchi portatili dell‘elettronica di consumo e
nei giocattoli, utilizza nichel (Ni) e cadmio (Cd) come reagenti chimici.
Hanno un catodo di ossido di nichel nero (solfuro di nichel NiSO4) e
nichel metallo , un anodo di idrossido di cadmio (Cd(OH)2),un
separatore e un elettrolita alcalino (di solito KOH) .

44. ACCUMULATORI
NICHEL-CADMIO
Di solito hanno un contenitore di metallo con una placca sigillante con
una valvola di sicurezza auto-sigillante.
Gli elettrodi, isolati da ogni altra cosa tramite il separatore, sono
arrotolati a spirale dentro al contenitore.

45. ACCUMULATORI
NICHEL-CADMIO
Le batterie nichel-cadmio sono ventilate, con delle valvole che si
aprono oltrepassata una certa temperatura interna. Questo
meccanismo complesso, non necessario nelle batterie alcaline,
contribuisce al loro costo più elevato.
Queste batterie contengono cadmio, che è un metallo pesante tossico
e quindi richiede attenzione speciale durante il suo smaltimento perché
altamente inquinante. Se non usate regolarmente tendono a produrre
al loro interno dei dendriti, sottili cristalli conduttori che causano
cortocircuiti e spesso la rottura della pila.

46. ACCUMULATORI
NICHEL-CADMIO
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
manutenuta correttamente.
Per ridurre questo problema è opportuno conservare le batterie
scariche.
Sono utilizzate nei telefoni cordless e wireless, nell’illuminazione
d’emergenza, così come in molti tipi di utensili elettrici.

47. ACCUMULATORI
NICHEL-IDRURO METALLICO
Sviluppati alla fine degli anni 1980, sono simili a quelli NiCd ma
l’anodo, che assorbe l'idrogeno, è una lega di metalli anziché cadmio e
il nichel è il catodo.
Può avere due o tre volte la capacità di un batteria NiCd di pari
dimensioni.

48. ACCUMULATORI
NICHEL-IDRURO METALLICO
La lega metallica dell’anodo è un miscela di elementi
del gruppo delle terre rare: lantanio, cerio, neodimio, praseodimio,
nichel, cobalto, manganese, alluminio.

49. ACCUMULATORI
NICHEL-IDRURO METALLICO
Poche usano titanio, vanadio, zirconio, nichel, cromo, cobalto, ferro, e
manganese, perché durano poco. Per questo tipo di soluzione ognuno di
questi composti crea una miscela di idruri metallici.
Vengono utilizzate sulle auto ibride, per l'elettronica di consumo e su
alcuni tram.

50. Le prime batterie al litio furono fabbricate nel 1912 da Gilbert Lewis e
quelle non ricaricabili furono create nei primi anni ‘70.
La batteria ricaricabile agli ioni di litio (Li-Ion) necessitò di altri venti
anni di sviluppo prima che fosse sicura abbastanza per essere immessa
sul mercato: la prima versione commerciale fu creata dalla Sony nel
1991.
ACCUMULATORI AGLI
IONI DI LITIO

51. 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 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 circuiti elettronici protettivi e/o fusibili per evitare l'inversione di
polarità, sovraccarichi di tensione e surriscaldamento.
ACCUMULATORI AGLI
IONI DI LITIO

52. È impiegata elettronica di consumo per laptop e cellulari, ma anche
per alcune auto elettriche, con uno dei migliori rapporti peso/potenza,
nessun effetto memoria ed una lenta perdita della carica quando non è
in uso. Una versione più avanzata è l’accumulatore litio-polimero.
ACCUMULATORI AGLI
IONI DI LITIO

53. ACCUMULATORI AGLI
IONI DI LITIO
Le batterie agli ioni di litio possono essere costruite con forme e
dimensioni varie, e sono anche più leggere di quelle fabbricate con
altri componenti chimici, perché gli ioni di litio hanno una densità di
carica molto elevata ma sono piccoli e mobili e immagazzinabili più
rapidamente di quelli di idrogeno.
Hanno anche un basso ritmo di auto-scarica. Se non viene utilizzata si
degrada molto rapidamente con l'aumento della temperatura di
conservazione e dello stato di carica.

54. ACCUMULATORI AGLI
IONI DI LITIO
Una pila al Li-ion non va mai scaricata sotto una certa tensione per
evitare danni irreversibili, perciò tutti i sistemi che utilizzano queste
batterie hanno un circuito che spegne il sistema quando la batteria
viene scaricata sotto la soglia predefinita.
Può esplodere se surriscaldata o caricata eccessivamente.

55. ACCUMULATORI AGLI
IONI DI LITIO
Le batterie Li-ion non durano come quelle al nichel-idruro metallico o al
nichel-cadmio e possono essere pericolose se si utilizzano
erroneamente. Di solito sono anche più costose.
Un problema delle batterie a base di litio è l'approvvigionamento del
litio. Disponibile in natura in quantità limitata, richiede processi di
estrazione particolarmente complicati e costosi.

56. LA PILA ATOMICA
Fu realizzata da Enrico Fermi nel
1942.
È un generatore di energia che
prende anche il nome di pila
nucleare o reattore nucleare.
L'energia prodotta è ottenuta
dall'energia nucleare attraverso una
reazione a catena.

57. LA PILA ATOMICA
Il reattore di Fermi era costituito da
una pila di celle di uranio, che
produceva neutroni, separati gli uni
dagli altri da blocchi di grafite con
funzione di moderatore per
rallentare i neutroni.
Dopo l’utilizzo bellico della bomba
atomica nella seconda guerra
mondiale, l’energia nucleare viene
oggi utilizzata in modo pacifico in
molti campi, da quello civile,
energetico a quello medico.

58. Vanadio Redox
Poli-Solfuro Bromuro
Zebra (Ni-NaCl)
Nichel-Zinco
Zolfo-Sodio
Stair (ad aria)
Alluminio-aria
Ferro- Nichel
NUOVI TIPI DI BATTERIE

59. La produzione delle batterie richiede il consumo di
molte risorse di valore che spesso implicano l’utilizzo
di sostanze chimiche pericolose. Fin dagli anni ’20,
quindi, si è cercato di recuperare questi elementi
rigenerandoli o riciclandoli.
Per questa ragione esiste una specifica rete di
riciclaggio che si occupa di recuperare dalle batterie
usate parte dei materiali di maggiore tossicità e altri
materiali di un certo valore.
LO SMALTIMENTO

60. In Italia il DL 188/2008 prevede sistemi collettivi e
consorzi che raggruppano i produttori di pile e
batterie responsabili della gestione dei rifiuti di questi
prodotti.
Sempre la legge italiana considera le batterie esauste
rifiuti pericolosi, e quindi il loro ciclo di smaltimento
deve essere tracciato da chi genera il rifiuto a chi lo
smaltisce.
Chi compie irregolarità può essere perseguito
penalmente.
LO SMALTIMENTO

62. http://www.cdcnpa.it/pile-e-accumulatori/portatili
https://it.wikipedia.org
http://www.archimede-energia.com
http://www.aristidetorrelli.it/articoli/batterie/batterie.htm
https://en.wikipedia.org
http://mib.maxell.eu/it/products/micro-batterie-sr-all-ossido-d-argento-silver-oxide-mercury-free-286.aspx
http://www.notiziariomotoristico.com/articoli/97/facciamo-luce-sulle-batterie
http://www.archimede-energia.com/it/comunicazione/blog/121-blog/94-le-batterie-al-litio-cosa-sono-e-come-funzionano
http://www.minerva.unito.it/sis/fermi2/fermi3.htm
http://scienzapertutti.lnf.infn.it/index.php?option=com_content&view=article&id=1208&itemid=433
http://www.treccani.it/enciclopedia/pila-atomica_(enciclopedia-italiana)/
http://www.chimica-online.it/download/pila.htm
http://www.sapere.it/
http://www.zanichelli.it
IMMAGINI: GOOGLE.IT
FONTI