Di S. Hussain Ather | Aggiornato il 30 agosto 2022
Incontrare una batteria scarica è frustrante, soprattutto quando interrompe il funzionamento del dispositivo. Comprendere la chimica che determina l'esaurimento della batteria può aiutarti a prevedere i guasti, scegliere il tipo di batteria giusto e prolungare la durata dei tuoi dispositivi.
Le batterie sono celle galvaniche che convertono l'energia chimica in energia elettrica attraverso una reazione redox spontanea. In una tipica cella primaria, due metalli diversi fungono da elettrodi:il catodo (spesso un catione metallico come il rame) dove avviene la riduzione, e l'anodo (spesso un anione metallico come lo zinco) dove avviene l'ossidazione. L'elettrolita, un liquido o un gel contenente ioni, facilita il trasferimento di carica tra gli elettrodi.
Le batterie primarie si scaricano quando il loro elettrolito si secca o quando i reagenti chiave, come il biossido di manganese nelle celle alcaline, sono completamente consumati. A quel punto gli elettroni non possono più fluire e la batteria è considerata scarica.
Ricorda il mnemonico OILRIG (L'ossidazione è perdita, la riduzione è guadagno) per mantenere la direzione del flusso di elettroni dritta nella tua mente. Per i nomi degli elettrodi, pensa a ANodo → OSSIDAZIONE, REDuzione → CATodo .
Le batterie domestiche a basso costo utilizzano spesso la chimica zinco-carbonio. Il loro design consente una lieve corrosione galvanica che può comunque generare elettricità in un circuito chiuso, motivo per cui possono alimentare semplici gadget per anni.
Le celle ricaricabili agli ioni di litio possono subire reazioni esotermiche se danneggiate o sovraccaricate. La temperatura interna può salire fino a circa 1.000°C, provocando lo scioglimento dei collettori di corrente in rame e la rottura della cella, un evento comunemente definito fuga termica.
Nel 1836, il chimico britannico John Frederic Daniell introdusse la cella Daniell , un design a doppio elettrolita che ha migliorato la longevità rispetto alle precedenti celle voltaiche. Questa innovazione ha aperto la strada alla telegrafia e all'elettrometallurgia.
Le celle secondarie immagazzinano la carica invertendo la reazione redox durante la carica. I materiali chiave includono sostanze chimiche a base di idrossido di nichel o ioni di litio. Nel corso di cicli ripetuti, i materiali degli elettrodi possono degradarsi, l'elettrolito può seccarsi e la capacità della cella diminuisce, fino a scaricare la batteria.
Dagli avviatori automobilistici e dalle sedie a rotelle elettriche agli utensili elettrici e allo stoccaggio su scala di rete, le celle ricaricabili sono parte integrante della vita moderna. Gli ingegneri perfezionano continuamente le sostanze chimiche per bilanciare densità energetica, durata del ciclo e sicurezza.
L'energia chimica immagazzinata in una batteria viene rilasciata mentre gli elettroni fluiscono attraverso un circuito esterno. La forza trainante è la differenza nell'energia libera di Gibbs (ΔG) tra reagenti e prodotti. In una cella galvanica, il potenziale standard della cella (E°) è correlato a ΔG° tramite:
E° =-ΔG° / (nF)
dove n è il numero di elettroni trasferiti e F (96485.33Cmol⁻¹) è la costante di Faraday. Per una cella Daniell, ΔG° ≈ -213 kJmol⁻¹, che produce una tensione nominale di 1,10 V.
Separare la reazione complessiva in semireazioni. Ad esempio, utilizzando CuSO₄ e ZnSO₄:
Cu²⁺ + 2e⁻ ⇌ Cu E° = +0.34 V Zn²⁺ + 2e⁻ ⇌ Zn E° = -0.76 VInvertendo la semireazione dello zinco, il potenziale totale della cella diventa +0,34 V - (-0,76 V) =1,10 V.
La durata della batteria dipende dalla chimica, dai modelli di utilizzo e dalle condizioni operative. Comprendere la scienza di base consente una migliore progettazione dei dispositivi, abitudini di utilizzo più intelligenti e una gestione più sicura della batteria.
