da Jose Alarco E Peter Talbot , La Conversazione
Le batterie sono così onnipresenti oggi che sono quasi invisibili per noi. Eppure sono una notevole invenzione con una storia lunga e piani, e un futuro altrettanto eccitante.,
Una batteria è essenzialmente un dispositivo che immagazzina energia chimica che viene convertita in elettricità. Fondamentalmente, le batterie sono piccoli reattori chimici, con la reazione che produce elettroni energetici, pronti a fluire attraverso il dispositivo esterno.
Batterie sono stati con noi per un lungo periodo di tempo. Nel 1938 il Direttore del Museo di Baghdad trovò quella che oggi viene chiamata la “Batteria di Baghdad” nel seminterrato del museo. L’analisi lo ha datato intorno al 250 a.C. e di origine mesopotamica.,
Polemiche circonda questo primo esempio di una batteria, ma gli usi suggeriti includono galvanica, sollievo dal dolore o un formicolio religioso.
Lo scienziato e inventore americano Benjamin Franklin usò per la prima volta il termine “batteria” nel 1749 quando stava facendo esperimenti con l’elettricità usando una serie di condensatori collegati.
La prima vera batteria fu inventata dal fisico italiano Alessandro Volta nel 1800. Volta impilati dischi di rame (Cu) e zinco (Zn) separati da un panno imbevuto di acqua salata.
I fili collegati a entrambe le estremità della pila producevano una corrente stabile continua., Ogni cella (un insieme di un disco Cu e Zn e la salamoia) produce 0,76 Volt (V). Un multiplo di questo valore è ottenuto dato dal numero di celle che sono impilate insieme.
Una delle batterie più resistenti, la batteria al piombo, è stata inventata nel 1859 ed è ancora oggi la tecnologia utilizzata per avviare la maggior parte delle auto con motore a combustione interna. È il più antico esempio di batteria ricaricabile.,
Oggi le batterie sono disponibili in una gamma di dimensioni da grandi dimensioni Megawatt, che immagazzinano l’energia da fattorie solari o sottostazioni per garantire una fornitura stabile in interi villaggi o isole, fino a batterie minuscole come quelle utilizzate negli orologi elettronici.
Le batterie sono basate su diverse chimiche, che generano tensioni di base delle celle tipicamente nell’intervallo da 1,0 a 3,6 V. L’impilamento delle celle in serie aumenta la tensione, mentre la loro connessione in parallelo migliora l’alimentazione di corrente., Questo principio viene utilizzato per aggiungere fino alle tensioni e correnti richieste, fino alle dimensioni Megawatt.
Ora c’è molta attesa che la tecnologia delle batterie stia per fare un altro salto con nuovi modelli in fase di sviluppo con una capacità sufficiente per immagazzinare l’energia generata con sistemi solari o eolici domestici e quindi alimentare una casa a un tempo più conveniente (generalmente notturno) per alcuni giorni
Come funzionano le batterie?
Quando una batteria è scarica la reazione chimica produce alcuni elettroni in più come la reazione si verifica., Un esempio di reazione che produce elettroni è l’ossidazione del ferro per produrre ruggine. Il ferro reagisce con l’ossigeno e cede elettroni all’ossigeno per produrre ossido di ferro.
La costruzione standard di una batteria consiste nell’utilizzare due metalli o composti con diversi potenziali chimici e separarli con un isolante poroso. Il potenziale chimico è l’energia immagazzinata negli atomi e nei legami dei composti, che viene poi impartita agli elettroni in movimento, quando questi sono autorizzati a muoversi attraverso il dispositivo esterno collegato.,
Un fluido conduttore come sale e acqua viene utilizzato per trasferire ioni solubili da un metallo all’altro durante la reazione e viene chiamato elettrolita.
Il metallo o composto che perde gli elettroni durante la scarica è chiamato anodo e il metallo o composto che accetta gli elettroni è chiamato catodo. Questo flusso di elettroni dall’anodo al catodo attraverso la connessione esterna è ciò che usiamo per eseguire i nostri dispositivi elettronici.,
Batterie primarie vs ricaricabili
Quando la reazione che produce il flusso di elettroni non può essere invertita, la batteria viene definita batteria primaria. Quando uno dei reagenti viene consumato la batteria è scarica.
La batteria primaria più comune è la batteria zinco-carbonio. Si è constatato che quando l’elettrolita è un alcali, le batterie duravano molto più a lungo. Queste sono le batterie alcaline che compriamo al supermercato.
La sfida di smaltire con tali batterie primarie era trovare un modo per riutilizzarle, ricaricando le batterie., Questo diventa più essenziale come le batterie diventano più grandi, e spesso la loro sostituzione non è commercialmente praticabile.
Una delle prime batterie ricaricabili, la batteria al nichel-cadmio (NiCd), utilizza anche un alcali come elettrolita. Nel 1989 sono state sviluppate batterie al nichel-metallo idrogeno (NiMH) e hanno avuto una vita più lunga rispetto alle batterie NiCd.
Questi tipi di batterie sono molto sensibili al sovraccarico e al surriscaldamento durante la carica, quindi la velocità di carica è controllata al di sotto di una velocità massima. Controller sofisticati possono accelerare la carica, senza prendere meno di un paio d’ore.,
Nella maggior parte degli altri caricabatterie più semplici, il processo richiede in genere durante la notte.
Le applicazioni portatili – come telefoni cellulari e computer portatili – sono costantemente alla ricerca di energia immagazzinata massima e compatta. Mentre questo aumenta il rischio di una scarica violenta, è gestibile utilizzando limitatori di velocità di corrente nelle batterie del telefono cellulare a causa del piccolo formato complessivo.
Ma come le più grandi applicazioni delle batterie sono contemplate la sicurezza in grande formato e grande quantità di celle è diventata una considerazione più significativa.,
Primo grande balzo in avanti: batterie agli ioni di litio
Le nuove tecnologie richiedono spesso batterie ricaricabili più compatte, di maggiore capacità, sicure.
Nel 1980, il fisico americano Professor John Goodenough ha inventato un nuovo tipo di batteria al litio in cui il litio (Li) potrebbe migrare attraverso la batteria da un elettrodo all’altro come un Li+ ion.,
Il litio è uno degli elementi più leggeri della tavola periodica e ha uno dei maggiori potenziali elettrochimici, quindi questa combinazione produce alcune delle tensioni più alte possibili nei volumi più compatti e leggeri.
Questa è la base per la batteria agli ioni di litio. In questa nuova batteria, il litio è combinato con un metallo di transizione – come cobalto, nichel, manganese o ferro – e ossigeno per formare il catodo. Durante la ricarica quando viene applicata una tensione, lo lithium di litio caricato positivamente dal catodo migra all’anodo di grafite e diventa metallo di litio.,
Poiché il litio ha una forte forza motrice elettrochimica da ossidare se consentito, migra di nuovo al catodo per diventare di nuovo uno ion Li+ e restituisce il suo elettrone allo cobalt cobalto. Il movimento degli elettroni nel circuito ci dà una corrente che possiamo usare.
Il secondo grande balzo in avanti: nano tecnologia
A seconda del metallo di transizione utilizzato nella batteria agli ioni di litio, la cella può avere una capacità maggiore ma può essere più reattiva e suscettibile a un fenomeno noto come fuga termica.,
Nel caso di litio ossido di cobalto (LiCoO2) batterie fatte da Sony nel 1990, questo ha portato a molte di queste batterie prendere fuoco. La possibilità di realizzare catodi per batterie da materiale su nanoscala e quindi più reattivo era fuori questione.
Ma nel 1990 Goodenough di nuovo fatto un enorme salto nella tecnologia delle batterie con l’introduzione di un catodo agli ioni di litio stabile a base di litio ferro e fosfato.
Questo catodo è termicamente stabile., Significa anche che i materiali nano-scala litio ferro fosfato (LiFePO4) o litio ferrofosfato (LFP) possono ora essere realizzati in modo sicuro in celle di grande formato che possono essere rapidamente caricate e scaricate.
Esistono molte nuove applicazioni per queste nuove celle, dagli utensili elettrici ai veicoli ibridi ed elettrici. Forse l’applicazione più importante sarà lo stoccaggio di energia elettrica domestica per le famiglie.,
Auto elettriche
Il leader nella produzione di questo nuovo formato di batterie per veicoli è la Tesla electric vehicle company, che ha piani per la costruzione di “Giga-plants” per la produzione di queste batterie.
La dimensione della batteria al litio per la Tesla Model S è un impressionante 85kWh.,
Questo è anche più che sufficiente per le esigenze domestiche domestiche, motivo per cui ci sono state così tante speculazioni su ciò che il fondatore di Tesla Elon Musk si sta preparando a rivelare questa settimana.
Un design modulare della batteria può creare formati di batteria in qualche modo intercambiabili e adatti sia per veicoli che per applicazioni domestiche senza necessità di riprogettazione o ricostruzione.
Forse stiamo per assistere al prossimo cambiamento generazionale nella generazione e nello stoccaggio di energia guidato dalle capacità sempre migliori della batteria umile.,