23/02/2010, 20:56
Batterie al piombo: funzionamento e caratteristiche
Tutte batterie trasformano l’energia chimica prodotta dalle reazioni chimiche che avvengono nelle celle in energia elettrica. Un caso particolare è costituito dalle batterie al piombo acido che sono usate nei mezzi di locomozione.
Schematicamente una cella al piombo è costituita come nel disegno. Gli elettrodi, uno di piombo e l’altro di biossido di piombo, sono immersi in una soluzione costituita da circa il 30% di acido solforico e acqua. Questo tipo di cella genera una tensione di 2,16 volt.
Durante la fase di scarica, nella quale la batteria fornisce corrente, entrambi gli elettrodi si consumano, il piombo e il biossido di piombo che li costituiscono si trasformano in piombo solfato.
Viceversa, nella fase di ricarica il piombo solfato si trasforma in piombo e biossido di piombo e i due elettrodi si rigenerano.
La batteria vista così sembrerebbe avere vita infinita, tuttavia altri fenomeni, soprattutto di solfatazione, ne limitano la durata. I processi di carica e di scarica non sono perfettamente reversibili principalmente perchè il solfato di piombo che si forma è un solido bianco insolubile che tende a depositarsi sugli elettrodi o sul fondo della cella impedendo il ripristino della superficie originaria degli elettrodi.
La causa principale della solfatazione è il permanere dell’accumulatore in condizione di scarica, ovviamente il fenomeno sarà tanto più rapido quanto maggiori saranno tempo e livello di scarica. Per garantire quindi una buona durata di una batteria al piombo è opportuno evitare la permanenza per lunghi periodi in condizioni di scarica anche solo parziale.
La carica della batteria deve essere effettuata con intensità di corrente bassa, al massimo pari al 10 % della capacità. Non deve inoltre durare più del necessario perché oltre alla formazione di una miscela di idrogeno e ossigeno, che in presenza di fiamme o scintille può esplodere, provoca anche perdita di acqua dalla soluzione nel caso di batterie con elettrolita liquido e porta alla formazione di bolle di gas che rimangono imprigionate in modo irreversibile nell’elettrolita nel caso di batterie al gel..
Al di là delle diverse tipologie costruttive (vaso aperto, senza manutenzione, al gel ecc.) la batterie oltre che per dimensioni e orientamento e forma dei morsetti vengono caratterizzate da tensione, capacità e corrente di spunto.
Tensione, la tensione teorica di una cella al piombo è di circa 2,2 volt. Per avere batterie da 6, 12 o 24 volt è necessario accoppiare in serie rispettivamente 3, 6 o 12 celle come quella rappresentata nello schema.
Le comuni batterie da 12 volt sono quindi costituite da sei celle. La tensione teorica dovrebbe essere pertanto circa 6 x 2,2 = 13,2 V. Nella pratica una batteria in piena efficienza ha una tensione di circa 12,7 V.
Anche se la tensione varia di qualche decimo di volt con la concentrazione di acido solforico e con la temperatura, valori di tensione di 13,8 V o addirittura di 14,4 V che ho visto riportati (Wikipedia tra gli altri) non hanno realtà fisica.
Capacità, espressa in amper/ora (Ah), definisce la quantità di energia che l’accumulatore è in grado di erogare per un certo tempo e dipende dalle dimensioni degli elettrodi e quindi dalla quantità di piombo e piombo biossido che si possono trasformare in piombo solfato.
Vi sono varie convenzioni per definire la capacità di una batteria, la normativa europea prevede che la scarica debba durare per 10 ore (viene indicata con C10). Quindi una batteria (come quelle dei Bol d’Or) da 14 Ah potrà fornire 1,4 A per la durata di 10 ore. La durata della scarica viene fissata per evitare interpretazioni fuorvianti ed errate del tipo: una batteria da 14 Ah in 30' fornisce 28 A.
Corrente di spunto, è la corrente massima che la batteria può fornire per tempi dell’ordine di qualche secondo ed è in genere usata per avviare i motori. Pur con le stesse tensioni e capacità le batterie possono avere correnti di spunto sensibilmente diverse e per una batteria da 14 Ah la corrente di spunto dovrebbe essere attorno ai 160 A. Una scarica prolungata con queste intensità di corrente può deformare gli elettrodi e mandarli in cortocircuito rendendo l'accumulatore inutilizzabile.
La corrente di spunto dipende essenzialmente dalla velocità con la quale avvengono le reazioni chimiche nella cella e in pratica dalla porosità della superficie dell’elettrodo. Va notato che la corrente di spunto è anche sensibile alla qualità dei materiali e delle saldature interne alla batteria. Infatti, poca resistenza in più determina, con simili correnti, un forte riscaldamento istantaneo ed un aumento della resistenza elettrica che provocano minore longevità e robustezza ai carichi elevati della batteria.
Schematicamente una cella al piombo è costituita come nel disegno. Gli elettrodi, uno di piombo e l’altro di biossido di piombo, sono immersi in una soluzione costituita da circa il 30% di acido solforico e acqua. Questo tipo di cella genera una tensione di 2,16 volt.
Durante la fase di scarica, nella quale la batteria fornisce corrente, entrambi gli elettrodi si consumano, il piombo e il biossido di piombo che li costituiscono si trasformano in piombo solfato.
Viceversa, nella fase di ricarica il piombo solfato si trasforma in piombo e biossido di piombo e i due elettrodi si rigenerano.
La batteria vista così sembrerebbe avere vita infinita, tuttavia altri fenomeni, soprattutto di solfatazione, ne limitano la durata. I processi di carica e di scarica non sono perfettamente reversibili principalmente perchè il solfato di piombo che si forma è un solido bianco insolubile che tende a depositarsi sugli elettrodi o sul fondo della cella impedendo il ripristino della superficie originaria degli elettrodi.
La causa principale della solfatazione è il permanere dell’accumulatore in condizione di scarica, ovviamente il fenomeno sarà tanto più rapido quanto maggiori saranno tempo e livello di scarica. Per garantire quindi una buona durata di una batteria al piombo è opportuno evitare la permanenza per lunghi periodi in condizioni di scarica anche solo parziale.
La carica della batteria deve essere effettuata con intensità di corrente bassa, al massimo pari al 10 % della capacità. Non deve inoltre durare più del necessario perché oltre alla formazione di una miscela di idrogeno e ossigeno, che in presenza di fiamme o scintille può esplodere, provoca anche perdita di acqua dalla soluzione nel caso di batterie con elettrolita liquido e porta alla formazione di bolle di gas che rimangono imprigionate in modo irreversibile nell’elettrolita nel caso di batterie al gel..
Al di là delle diverse tipologie costruttive (vaso aperto, senza manutenzione, al gel ecc.) la batterie oltre che per dimensioni e orientamento e forma dei morsetti vengono caratterizzate da tensione, capacità e corrente di spunto.
Tensione, la tensione teorica di una cella al piombo è di circa 2,2 volt. Per avere batterie da 6, 12 o 24 volt è necessario accoppiare in serie rispettivamente 3, 6 o 12 celle come quella rappresentata nello schema.
Le comuni batterie da 12 volt sono quindi costituite da sei celle. La tensione teorica dovrebbe essere pertanto circa 6 x 2,2 = 13,2 V. Nella pratica una batteria in piena efficienza ha una tensione di circa 12,7 V.
Anche se la tensione varia di qualche decimo di volt con la concentrazione di acido solforico e con la temperatura, valori di tensione di 13,8 V o addirittura di 14,4 V che ho visto riportati (Wikipedia tra gli altri) non hanno realtà fisica.
Capacità, espressa in amper/ora (Ah), definisce la quantità di energia che l’accumulatore è in grado di erogare per un certo tempo e dipende dalle dimensioni degli elettrodi e quindi dalla quantità di piombo e piombo biossido che si possono trasformare in piombo solfato.
Vi sono varie convenzioni per definire la capacità di una batteria, la normativa europea prevede che la scarica debba durare per 10 ore (viene indicata con C10). Quindi una batteria (come quelle dei Bol d’Or) da 14 Ah potrà fornire 1,4 A per la durata di 10 ore. La durata della scarica viene fissata per evitare interpretazioni fuorvianti ed errate del tipo: una batteria da 14 Ah in 30' fornisce 28 A.
Corrente di spunto, è la corrente massima che la batteria può fornire per tempi dell’ordine di qualche secondo ed è in genere usata per avviare i motori. Pur con le stesse tensioni e capacità le batterie possono avere correnti di spunto sensibilmente diverse e per una batteria da 14 Ah la corrente di spunto dovrebbe essere attorno ai 160 A. Una scarica prolungata con queste intensità di corrente può deformare gli elettrodi e mandarli in cortocircuito rendendo l'accumulatore inutilizzabile.
La corrente di spunto dipende essenzialmente dalla velocità con la quale avvengono le reazioni chimiche nella cella e in pratica dalla porosità della superficie dell’elettrodo. Va notato che la corrente di spunto è anche sensibile alla qualità dei materiali e delle saldature interne alla batteria. Infatti, poca resistenza in più determina, con simili correnti, un forte riscaldamento istantaneo ed un aumento della resistenza elettrica che provocano minore longevità e robustezza ai carichi elevati della batteria.
- Allegati
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- Rappresentazione schematica di una cella al piombo acido a vaso aperto
