Introduzione
Esistono principalmente due tipi di batterie al piombo-acido, classificati in base al loro metodo di costruzione: allagate (ventilate) e sigillate. Questi due tipi differiscono anche nel loro funzionamento. Tutte le batterie al piombo-acido generano gas di idrogeno e ossigeno (gassificazione) agli elettrodi durante la carica attraverso un processo chiamato elettrolisi. Nelle celle allagate, questi gas vengono rilasciati nell'atmosfera, mentre nelle celle sigillate i gas vengono contenuti e ricombinati. È importante notare che il gas di idrogeno è esplosivo nell'aria già al 4% in volume. Le batterie al piombo-acido allagate e sigillate sono descritte nei paragrafi seguenti.
Batterie al Piombo-Acido Allagate
Le celle allagate sono quelle in cui gli elettrodi/piastre sono immersi in un elettrolita. Poiché i gas creati durante la carica vengono ventilati nell'atmosfera, è necessario aggiungere periodicamente acqua distillata per mantenere l'elettrolita al livello richiesto. L'esempio più comune di una cella al piombo-acido allagata è la batteria per auto da 12 V.
Batteria per Auto al Piombo-Acido Allagata
Batterie al Piombo-Acido Sigillate
Queste batterie contengono l'elettrolita e sono dotate di una valvola o un vent per permettere ai gas di sfuggire se la pressione interna supera una certa soglia. Durante la carica, una batteria al piombo-acido genera gas di ossigeno all'elettrodo positivo.
Le batterie al piombo-acido sigillate sono progettate per ricombinare l'ossigeno generato durante la carica. Questo processo, noto come ciclo di ricombinazione dell'ossigeno, funziona efficacemente finché il tasso di carica non è eccessivo. Un tasso di carica troppo elevato può causare rottura del contenitore, fuga termica o danni meccanici interni.
La batteria regolata da valvola è il tipo più comune di batteria sigillata, sviluppata per applicazioni stazionarie e di telecomunicazione. Queste batterie hanno una valvola controllata a molla che ventila i gas a una pressione predeterminata. Le soglie di pressione tipiche variano da 2 a 5 psig, a seconda del design della batteria. Sebbene il termine "regolata da valvola" sia spesso usato per descrivere le batterie al piombo-acido sigillate, non tutte le batterie sigillate sono regolate da valvola. Alcuni design utilizzano tappi di sfiato sostituibili o altri meccanismi per alleviare la pressione in eccesso. Le batterie sigillate sono state sviluppate per ridurre la manutenzione necessaria durante il loro utilizzo. Poiché i livelli di elettrolita sono mantenuti intrappolando e ricombinando i gas, non è necessario aggiungere acqua distillata durante la vita della batteria. Queste batterie sono spesso erroneamente definite "senza manutenzione". In realtà, tutte le pratiche di manutenzione applicabili alle batterie non sigillate si applicano anche a quelle sigillate, con l'eccezione che i livelli di elettrolita non possono e non devono essere mantenuti.
Le batterie sigillate sono spesso evitate per applicazioni di alimentazione di backup per diversi motivi. Uno dei motivi è che lo stato di carica delle batterie sigillate non può essere determinato con la tradizionale misurazione della gravità specifica. Metodi alternativi affidabili per misurare lo stato di carica delle batterie sigillate sono in fase di sviluppo. Un altro motivo è la loro sensibilità alle alte temperature.
Componenti e Funzionamento della Batteria
Celle vs. Batterie
Una batteria è un dispositivo che converte l'energia chimica contenuta nei suoi materiali attivi in energia elettrica attraverso una reazione elettrochimica. Sebbene il termine "batteria" sia comunemente usato, l'elemento elettrochimico di base è la cella. Una batteria è composta da due o più celle collegate elettricamente in serie per formare un'unità. Nell'uso comune, i termini "batteria" e "cella" sono spesso usati in modo intercambiabile.
Celle e Batterie Primarie e Secondarie
Le batterie possono essere primarie o secondarie. Le batterie primarie sono utilizzabili una sola volta poiché le reazioni chimiche che forniscono la corrente elettrica sono irreversibili. Le batterie secondarie (o di accumulo) possono essere utilizzate, caricate e riutilizzate. In queste batterie, le reazioni chimiche che forniscono la corrente elettrica sono facilmente reversibili, permettendo la ricarica della batteria.
Le batterie primarie sono comuni perché economiche e facili da usare. Gli usi comuni delle batterie primarie includono torce, orologi, giocattoli e radio. L'uso più comune delle batterie secondarie (di accumulo) è per l'avviamento, l'illuminazione e l'accensione (SLI) in automobili e gruppi elettrogeni. Altre applicazioni includono alimentatori ininterrotti (UPS) per emergenze e alimentazione di backup, veicoli elettrici (trazione), telecomunicazioni e utensili portatili. Il resto di questo articolo sarà dedicato solo alle batterie di accumulo, tranne dove vengono discusse le caratteristiche operative generali delle batterie.
Componenti della Batteria
Una cella ha cinque componenti principali come mostrato nell'immagine sottostante.
Componenti Principali di una Cella
L'elettrodo negativo fornisce elettroni al circuito esterno (o carico) durante la scarica. In una batteria di accumulo al piombo-acido completamente carica, l'elettrodo negativo è composto da piombo spugnoso (Pb).
L'elettrodo positivo accetta elettroni dal carico durante la scarica. In una batteria al piombo-acido completamente carica, l'elettrodo positivo è composto da biossido di piombo (PbO2). È importante che gli elettrodi in una batteria siano di materiali dissimili, altrimenti la cella non sarà in grado di sviluppare un potenziale elettrico e quindi condurre corrente elettrica.
L'elettrolita completa il circuito interno nella batteria fornendo ioni agli elettrodi positivo e negativo. L'acido solforico diluito (H2SO4) è l'elettrolita nelle batterie al piombo-acido. In una batteria al piombo-acido completamente carica, l'elettrolita è composto approssimativamente dal 25% di acido solforico e dal 75% di acqua.
Il separatore è utilizzato per isolare elettricamente gli elettrodi positivo e negativo. Se gli elettrodi vengono a contatto, la cella si cortocircuiterà e diventerà inutilizzabile perché entrambi gli elettrodi sarebbero allo stesso potenziale. Il tipo di separatore utilizzato varia a seconda del tipo di cella. I materiali utilizzati come separatori devono consentire il trasferimento di ioni tra l'elettrolita e gli elettrodi. Molti separatori sono realizzati in materiale plastico poroso o in fibra di vetro.
I componenti sopra descritti sono alloggiati in un contenitore comunemente chiamato vaso o contenitore.
Tensione di Cella e Batteria
Affinché una cella o una batteria possa fornire corrente elettrica a un circuito esterno, deve esistere una differenza di potenziale tra gli elettrodi positivo e negativo. La differenza di potenziale (solitamente misurata in volt) è comunemente indicata come la tensione della cella o della batteria. Una singola cella al piombo-acido può sviluppare una differenza di potenziale massima di circa 2 V sotto carico. Una cella al piombo-acido completamente scarica ha una differenza di potenziale di circa 1,75 V, a seconda del tasso di scarica.
Capacità e Valutazioni della Batteria
In termini generali, la capacità di una cella/batteria è la quantità di carica disponibile espressa in ampere-ora (Ah). Un ampere è l'unità di misura utilizzata per la corrente elettrica ed è definita come un coulomb di carica che passa attraverso un conduttore elettrico in un secondo. La capacità di una cella o batteria è correlata alla quantità di materiali attivi in essa contenuti, alla quantità di elettrolita e alla superficie delle piastre. La capacità di una batteria/cella è misurata scaricandola a una corrente costante fino a raggiungere la sua tensione terminale (solitamente circa 1,75 volt). Questo è solitamente fatto a una temperatura costante, in condizioni standard di 25°C (77°F). La capacità è calcolata moltiplicando il valore della corrente di scarica per il tempo richiesto per raggiungere la tensione terminale.
Il termine più comune utilizzato per descrivere la capacità di una batteria di fornire corrente è la sua capacità nominale. I produttori specificano frequentemente la capacità nominale delle loro batterie in ampere-ora a un tasso di scarica specifico. Ad esempio, ciò significa che una batteria al piombo-acido valutata per 200 Ah (per un tasso di 10 ore) fornirà 20 ampere di corrente per 10 ore in condizioni di temperatura standard (25°C o 77°F). In alternativa, un tasso di scarica può essere specificato dal suo tasso di carica o C-rate, che è espresso come multiplo della capacità nominale della cella o batteria. Ad esempio, una batteria può avere una valutazione di 200 Ah a un tasso di scarica C/10. Il tasso di scarica è determinato dall'equazione seguente:
Tasso C/10 (ampere)= 200 Ah/10 h = 20 ampere
La capacità della batteria varia con il tasso di scarica. Maggiore è il tasso di scarica, minore è la capacità della cella. Tassi di scarica inferiori risultano in una capacità maggiore. La letteratura del produttore sulle batterie specificherà normalmente diversi tassi di scarica (in ampere) insieme al tempo di scarica associato (in ore). La capacità della batteria per ciascuno di questi vari tassi di scarica può essere calcolata come discusso sopra.
La capacità nominale per le batterie al piombo-acido è solitamente specificata ai tassi di 8, 10 o 20 ore (C/8, C/10, C/20). Le batterie UPS sono valutate a capacità di 8 ore e le batterie per telecomunicazioni sono valutate a capacità di 10 ore.
Connessioni in Serie e in Parallelo
Celle e batterie possono essere collegate in serie, parallelo o combinazioni di entrambi. Celle o batterie collegate in serie hanno il terminale positivo di una cella o batteria collegato al terminale negativo di un'altra cella o batteria. Questo ha l'effetto di aumentare la tensione complessiva ma la capacità complessiva rimane la stessa. Ad esempio, la batteria per auto al piombo-acido da 12 V contiene 6 celle collegate in serie, ciascuna con una differenza di potenziale di circa 2 V. Un altro esempio di celle o batterie collegate in serie è mostrato nell'immagine sottostante.
Celle o batterie collegate in parallelo hanno i loro terminali simili collegati insieme. La tensione complessiva rimane la stessa ma la capacità è aumentata. Ad esempio, se due batterie per auto da 12 V fossero collegate in parallelo, la tensione complessiva delle batterie sarebbe ancora di 12 V. Tuttavia, le batterie collegate avrebbero il doppio della capacità di una singola batteria da 12 V. Un altro esempio di celle o batterie collegate in parallelo è mostrato nell'immagine sottostante.
Celle Collegate in Serie
Celle Collegate in Parallelo
Le batterie possono anche essere collegate in una combinazione serie/parallelo. Le batterie sono aggiunte in serie fino a raggiungere la tensione desiderata e in parallelo fino a quando il banco batterie soddisfa i requisiti di capacità. Solo celle o batterie simili dovrebbero essere collegate insieme. Collegare celle o batterie di valutazioni o produttori diversi può produrre risultati indesiderati o addirittura pericolosi.
Come Funzionano le Batterie al Piombo-Acido
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Risorse Aggiuntive
https://electrical4u.com/zinc-carbon-battery
https://britannica.com/technology/battery-electronics/Lithium-batteries
https://batteryuniversity.com/learn/article/lead_based_batteries