Immaginate un mondo senza batterie. Tutti quei dispositivi portatili da cui siamo così dipendenti sarebbero così limitati! Saremmo in grado di portare i nostri computer portatili e i nostri telefoni solo fino a dove i loro cavi possono arrivare, il che renderebbe la nuova applicazione che avete appena scaricato sul vostro telefono piuttosto inutile.
Per fortuna, abbiamo delle batterie. In Mesopotamia, nel 150 a.C., la cultura partica usava un dispositivo chiamato batteria di Baghdad, che consisteva in elettrodi di rame e ferro con aceto o acido citrico. Gli archeologi credono che queste non fossero realmente delle batterie ma che fossero usate principalmente per le cerimonie religiose.
L’invenzione della batteria come la conosciamo è attribuita allo scienziato italiano Alessandro Volta, che sviluppò la prima batteria per dimostrare un punto a un altro scienziato italiano, Luigi Galvani. Nel 1780, Galvani aveva dimostrato che le zampe delle rane appese a ganci di ferro o di ottone si contraevano quando venivano toccate con una sonda di un altro tipo di metallo. Pensava che fosse dovuto all’elettricità proveniente dai tessuti delle rane, e la chiamò “elettricità animale”.
Volta, sebbene inizialmente impressionato dalle scoperte di Galvani, arrivò a credere che la corrente elettrica provenisse da due diversi tipi di metallo (i ganci su cui erano sospese le rane e il diverso metallo della sonda) e che fosse semplicemente trasmessa attraverso i tessuti delle rane, non da esse. Sperimentò con pile di strati di argento e zinco intervallati da strati di stoffa o carta imbevuti di acqua salata, e scoprì che una corrente elettrica passava effettivamente attraverso un filo applicato alle due estremità della pila.
Volta scoprì anche che usando diversi metalli nella batteria, la quantità di tensione poteva essere aumentata. Ha descritto le sue scoperte in una lettera a Joseph Banks, allora presidente della Royal Society di Londra, nel 1800. Fu un affare molto importante (Napoleone ne fu piuttosto impressionato!) e la sua invenzione gli valse un riconoscimento duraturo in onore del “volt” (una misura del potenziale elettrico) che porta il suo nome.
La chimica di una batteria
Una batteria è un dispositivo che immagazzina energia chimica e la converte in elettricità. Questo si chiama elettrochimica, e il sistema dietro una batteria si chiama cella elettrochimica. Una batteria può essere composta da una o più celle elettrochimiche (come nella batteria originale di Volta). Ogni cella elettrochimica è composta da due elettrodi separati da un elettrolita.
Da dove prende l’elettricità una cella elettrochimica? Per rispondere a questa domanda, dobbiamo sapere cos’è l’elettricità. In parole povere, l’elettricità è un tipo di energia prodotta dal flusso di elettroni. In una cella elettrochimica, gli elettroni sono prodotti da una reazione chimica che avviene in un elettrodo (leggi di più sugli elettrodi qui sotto!) e poi fluiscono verso l’altro elettrodo dove si esauriscono. Per comprendere appieno questo, dobbiamo dare un’occhiata più da vicino ai componenti della cellula e a come sono assemblati.
Per produrre un flusso di elettroni, è necessario avere un posto dove gli elettroni possono uscire e un altro dove gli elettroni possono andare. Questi sono gli elettrodi della cellula. Gli elettroni fluiscono da un elettrodo chiamato anodo (o elettrodo negativo) a un altro elettrodo chiamato catodo (l’elettrodo positivo). Questi sono di solito diversi tipi di metalli o altri composti chimici.
Nella batteria di Volta, l’anodo era lo zinco, da cui gli elettroni scorrevano attraverso il filo (quando era collegato) all’argento, che era il catodo della batteria. Ha impilato molti di questi elementi per formare la pila totale e aumentare la tensione.
Ma da dove prende l’anodo tutti quegli elettroni? E perché sono così felici di essere mandati al catodo? Tutto si riduce alla chimica all’interno della cellula.
Ci sono alcune reazioni chimiche in corso che dobbiamo capire. All’anodo, l’elettrodo reagisce con l’elettrolita in una reazione che produce elettroni. Questi elettroni si accumulano all’anodo. Nel frattempo, al catodo, avviene simultaneamente un’altra reazione chimica che permette a questo elettrodo di accettare elettroni.
Il termine tecnico chimico per una reazione che comporta lo scambio di elettroni è una reazione di riduzione-ossidazione, più comunemente nota come reazione redox. L’intera reazione può essere divisa in due mezze reazioni, e nel caso di una cella elettrochimica, una mezza reazione avviene all’anodo, l’altra al catodo. La riduzione è il guadagno di elettroni, e questo è ciò che accade al catodo; il catodo si dice ridotto durante la reazione. L’ossidazione è la perdita di elettroni, ecco perché diciamo che l’anodo è ossidato.
Ognuna di queste reazioni ha un particolare potenziale standard. Questa caratteristica corrisponde alla capacità/efficienza della reazione di produrre o succhiare elettroni – la sua forza in un tiro alla fune.
Due materiali conduttori che hanno reazioni con diversi potenziali standard possono formare una cella elettrochimica, perché quello più forte sarà in grado di prendere elettroni da quello più debole. Ma la scelta ideale per un anodo sarebbe un materiale che produce una reazione con un potenziale standard molto più basso (più negativo) del materiale scelto per il catodo. In definitiva, gli elettroni sono attirati verso il catodo dall’anodo (e l’anodo non si sforza molto di combattere), e quando hanno un percorso facile per arrivarci – un filo conduttore – possiamo sfruttare la loro energia per alimentare la nostra torcia, il telefono o qualsiasi altra cosa.
La differenza di potenziale standard tra gli elettrodi è equivalente alla forza con cui gli elettroni si muovono tra i due elettrodi. Questo è chiamato il potenziale elettrochimico complessivo della cella e determina la tensione della cella. Maggiore è la differenza, maggiore è il potenziale elettrochimico e la tensione.
Per aumentare la tensione di una batteria, abbiamo due opzioni. Possiamo scegliere diversi materiali per i nostri elettrodi, quelli che daranno alla cella un potenziale elettrochimico più alto. Oppure possiamo impilare più celle insieme. Quando le celle sono combinate in un modo particolare (in serie), questo ha un effetto additivo sulla tensione della batteria. Fondamentalmente, la forza con cui gli elettroni si muovono attraverso la batteria può essere considerata come la forza totale mentre si muove dall’anodo della prima cella al catodo dell’ultima cella, indipendentemente dal numero di celle nella batteria.
Quando le celle sono combinate in un altro modo (in parallelo), questo aumenta la possibile corrente della batteria, che può essere considerata come il numero totale di elettroni che scorrono attraverso le celle, ma non la sua tensione.
Ma gli elettrodi sono solo una parte della batteria. Ricordate i pezzi di carta di Volta immersi in acqua salata? L’acqua salata era l’elettrolita, un altro elemento cruciale dell’immagine. Un elettrolita può essere un liquido, un gel o una sostanza solida, ma deve essere in grado di permettere il movimento di ioni carichi.
Gli elettroni hanno una carica negativa, e dato che mandiamo il flusso di elettroni negativi nel nostro circuito, dobbiamo trovare un modo per bilanciare questo movimento di carica. L’elettrolita fornisce un mezzo attraverso il quale possono circolare ioni positivi con una carica equilibrata.
Poiché la reazione chimica all’anodo produce elettroni, per mantenere un equilibrio di carica neutra sull’elettrodo, viene prodotta anche una quantità corrispondente di ioni con carica positiva. Questi non scorrono lungo il filo esterno (questo è solo per gli elettroni!) ma vengono rilasciati nell’elettrolita.
Allo stesso tempo, il catodo deve anche bilanciare la carica negativa degli elettroni che riceve, per cui la reazione che avviene qui deve attirare ioni caricati positivamente dall’elettrolita (o può anche rilasciare ioni caricati negativamente dall’elettrodo nell’elettrolita).
Così, mentre il filo esterno fornisce il percorso per il flusso di elettroni caricati negativamente, l’elettrolita fornisce il percorso per il trasferimento di ioni caricati positivamente per bilanciare il flusso negativo. Questo flusso di ioni caricati positivamente è importante quanto gli elettroni che forniscono la corrente elettrica nel circuito esterno che usiamo per alimentare i nostri dispositivi. Il ruolo di bilanciamento del carico che svolgono è necessario per mantenere l’intera reazione in funzione.
Ora, se tutti gli ioni rilasciati nell’elettrolita potessero muoversi completamente liberamente nell’elettrolita, finirebbero per coprire le superfici degli elettrodi e intasare l’intero sistema. Quindi la cella è di solito dotata di una sorta di barriera per evitare questo.
Quando la batteria viene utilizzata, abbiamo una situazione in cui c’è un flusso continuo di elettroni (attraverso il circuito esterno) e di ioni carichi positivamente (attraverso l’elettrolita). Se questo flusso continuo viene interrotto – se il circuito è aperto, come quando la tua torcia è spenta – il flusso di elettroni è interrotto. Le cariche si accumulano e le reazioni chimiche che alimentano la batteria si fermano.
Man mano che la batteria viene utilizzata e le reazioni ai due elettrodi continuano, vengono prodotte nuove sostanze chimiche. Questi prodotti di reazione possono creare una sorta di resistenza che può impedire alla reazione di continuare con la stessa efficacia. Quando questa resistenza diventa troppo grande, la reazione rallenta. Anche la trazione degli elettroni tra il catodo e l’anodo perde la sua forza e gli elettroni smettono di scorrere. La batteria si scarica lentamente, quindi è essenziale testare le batterie con un tester.
Tensione, corrente, potenza, capacità … qual è la differenza?
Tutte queste parole descrivono fondamentalmente la forza di una batteria, vero? Beh, più o meno. Ma sono tutti sottilmente diversi.
Tensione = la forza con cui la reazione che guida la batteria spinge gli elettroni attraverso la cella. Questo si chiama potenziale elettrico, e dipende dalla differenza di potenziale tra le reazioni che avvengono a ciascuno degli elettrodi, cioè la forza con cui il catodo tirerà gli elettroni (attraverso il circuito) dall’anodo. Più alta è la tensione, più lavoro può essere fatto dallo stesso numero di elettroni.
Corrente = il numero di elettroni che passano attraverso qualsiasi punto di un circuito in un dato momento. Più alta è la corrente, più lavoro può essere fatto alla stessa tensione. Nella cella, si può anche considerare la corrente come il numero di ioni in movimento attraverso l’elettrolita, moltiplicato per la carica di questi ioni.
Potenza = tensione x corrente. Maggiore è la potenza, maggiore è la velocità alla quale una batteria può funzionare. Questa relazione mostra quanto siano importanti sia la tensione che la corrente nel determinare per cosa è adatta una batteria.
Capacità = potenza della batteria rispetto al tempo, che è usato per descrivere quanto tempo una batteria sarà in grado di alimentare un dispositivo. Una batteria di grande capacità continuerà a funzionare per un periodo di tempo più lungo prima di esaurirsi o esaurire la potenza. Alcune batterie hanno un piccolo e triste difetto: se si cerca di estrarre troppo rapidamente, le reazioni chimiche coinvolte non possono seguire e la capacità è minore! Quindi fate sempre attenzione quando parlate della capacità di una batteria e ricordate per cosa verrà usata.
Un altro termine popolare è “densità energetica”. Questa è la quantità di energia che un dispositivo può contenere per unità di volume, in altre parole, il rapporto tra potenza e dimensione. Con una batteria, più alta è la densità di energia, meglio è, perché significa che la batteria può essere più piccola e più compatta, che è sempre un vantaggio quando ne hai bisogno per alimentare qualcosa che vuoi tenere in tasca. È anche un vantaggio per le auto elettriche: la batteria deve poter entrare nell’auto in qualche modo!
Per alcune applicazioni, come l’immagazzinamento dell’elettricità in un impianto di energia rinnovabile come un parco eolico o solare, l’alta densità di energia non è un problema, poiché molto probabilmente avranno abbastanza spazio per immagazzinare le batterie. L’obiettivo principale di questo utilizzo sarebbe semplicemente quello di immagazzinare quanta più elettricità possibile, nel modo più sicuro ed economico possibile. Tradotto con www.DeepL.com/Translator (versione gratuita)