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Come funziona una batteria

Una dettagliata descrizione di quali siano i principi chimici e fisici che fanno funzionare una batteria elettrica.

Che cos’è una batteria?

Una batteria è un dispositivo per l’accumulo di energia elettrica tramite processo chimico, e il conseguente rilascio controllato sotto forma di corrente continua.

Tutti i tipi di batterie contengono un elettrodo positivo e uno negativo immersi in un elettrolita, con le varie componenti assemblate all’interno di un monoblocco.

La maggior parte delle batterie Yuasa sono al piombo acido, cioè presentano elettrodi positivi e negativi realizzati in composti di piombo, immersi in un elettrolita costituito da acido solforico diluito in acqua.

Le batterie al piombo acido sono secondarie, cioè possono essere ricaricate una volta esaurita la carica. Le batterie primarie, al contrario, possono essere scaricate una sola volta, dopo di che è necessario sostituirle; troviamo batterie di questo genere ad esempio i alcuni tipi di torce o di radio.

Come funziona una batteria

Funzionamento di una batteria Yuasa

L’elettrodo positivo è realizzato in biossido di piombo, mentre il negativo è in piombo poroso.

Quando si collega un utilizzatore elettrico (ad esempio luci o un motorino di avviamento) alla batteria, si sviluppa una corrente che passa attraverso l’elettrolita e attraverso l’utilizzatore esterno. Questo processo causa la scarica della batteria, che comporta un progressivo cambiamento della composizione chimica di entrambi gli elettrodi, che si convertono in solfato di piombo.

È possibile ricaricare una batteria facendola attraversare da una corrente elettrica proveniente da una fonte esterna, ad esempio un alternatore, una dinamo o un dispositivo di ricarica. Questo processo innesca una reazione chimica inversa che riporta ai materiali originari, cioè biossido di piombo e piombo poroso.

Mano a mano che la batteria si carica, l’elettricità inizia a scomporre (idrolizzare) l’acqua contenuta nell’elettrolita nei suoi due elementi costituenti, idrogeno e ossigeno, che sono rilasciati sotto forma di gas. Per questa ragione le batterie rilasciano gas durante la fase di carica.

Com’è fatta una batteria?

Griglie

Siccome gli elettrodi positivi e negativi sono costruiti con materiali duttili, hanno bisogno di un supporto meccanico, fornito da una griglia realizzata in una lega di piombo; il piombo puro risulterebbe troppo morbido.

Oltre a fornire un supporto per gli elettrodi (la materia attiva), la griglia serve per condurre l’elettricità fino all’utilizzatore esterno.

Elettrodi

Gli elettrodi sono inizialmente costituiti di una miscela di ossido di piombo e di solfato di piombo. Durante la carica della batteria, questi materiali diventano biossido di piombo nella piastra positiva, e piombo poroso in quella negativa.

L’elettrodo negativo contiene anche piccole quantità di additivi per fornire buone performance di scarica a basse temperature, migliorando l’avviamento.

La combinazione della griglia e degli elettrodi è solitamente definita piastra.

Elettrolita

L’elettrolita è costituito da acido solforico diluito in acqua. Questo materiale agisce da conduttore e permette il movimento degli ioni elettrici tra le piastre positiva e negativa quando la batteria si scarica o si carica.

Inoltre, l’acido ha un ruolo nel processo di scarica in quanto gli ioni reagiscono chimicamente con gli elettrodi per produrre solfato di piombo.

Separatore

Il separatore è un isolante sistemato tra le piastre positive e negative per evitare che si crei un cortocircuito tra di esse.

Il separatore deve essere realizzato in materiale microporoso con fori molto piccoli per permette agli ioni di scorrervi attraverso, passando da una piastra all’altra. Inoltre, è necessario che sia resistente alle alte temperature e alle condizioni molto acide di ossidazione all’interno della batteria.

La maggior parte dei separatori moderni è realizzata in polietilene microporoso, materiale che presenta le giuste proprietà per far fronte alle condizioni estreme dell’interno della batteria.

Contenitore e coperchio

Queste parti sono di norma costruite in polipropilene, un tipo di plastica resistente ma leggera. Al contrario di altre materie plastiche, questo non diventa fragile quando si raffredda, ed è in grado di resistere ai colpi quando viene maneggiato. Inoltre, non viene eroso dall’acido e può resistere agli altri fluidi (benzina, gasolio, liquido dei freni, antigelo) normalmente presenti all’interno di un veicolo.

Che cosa rende una batteria Maintenance-Free?

30 anni fa, le batterie perdevano acqua rapidamente, pertanto si consigliava agli automobilisti di verificare i livelli di acido con cadenza settimanale, come parte dei controlli di routine; le moderne batterie maintenance free (senza manutenzione), invece, non necessitano di aggiunta d’acqua per l’intera durata della loro vita, in condizioni operative normali. La vita attesa è peraltro raddoppiata nello stesso periodo di tempo, passando da 2 a 4-5 anni.

In passato, le griglie per batterie erano realizzate in una lega di piombo con il 10% di antimonio; lo scopo della presenza dell’antimonio era fornire rigidità, dato che il piombo puro è troppo morbido. Sfortunatamente, una parte dell’antimonio veniva sciolto dall’acido, comportando una perdita d’acqua della batteria.

Grazie alle innovazioni tecnologiche del settore, è stato possibile ridurre il contenuto di antimonio dal 10 all’1,5 per cento, e tale riduzione ha permesso di progettare batterie che richiedono una manutenzione minima, con cadenza annuale.

Il progresso più recente è stato l’introduzione dello 0,1 per cento di calcio come agente indurente nelle griglie, in sostituzione dell’antimonio; questa innovazione causa una minore contaminazione dell’acido e una perdita d’acqua notevolmente ridotta, che elimina la necessità di manutenzione, poiché non serve aggiungere acqua durante la vita operativa della batteria.

Problemi di servizio

Sovraccarico

I moderni sistemi di carica delle auto permettono solo ad una quantità minima di corrente di passare nella batteria quando è completamente carica. Se si verifica un guasto nell’alternatore, una corrente più elevata attraversa la batteria mentre l’auto è a motore acceso. Tale corrente provoca una rapida perdita d’acqua, che annulla le caratteristiche maintenance-free (senza manutenzione) della batteria, e riduce inoltre la vita attesa della stessa causando danni alle griglie positive.

Una colorazione marrone/nera sulla parte inferiore delle valvole di ventilazione è un chiaro segno di sovraccarico.

Se un alternatore (in veicoli non Start-stop) presenta una tensione di oltre 14,8 Volt a temperature normali, è generalmente un segno della presenza di un guasto al sistema di carica. Un comune guasto a un diodo del raddrizzatore porta all’osservazione di tensioni di carica di 16,0V alla batteria, in tal caso è consigliabile riparare immediatamente l’alternatore per evitare ulteriori danni alla batteria.

N.B. Nei veicoli più recenti provvisti di sistema Start-stop con recupero di energia in frenata (Brake Energy Regeneration), si sfruttano tensioni più elevate (15,2V) per massimizzare l’efficienza di carica e ridurre le tempistiche di carica dell’alternatore.

Scarica profonda (deep cycle)

I moderni sistemi di carica mantengono la batteria in uno stato di carica elevato mentre l’auto è in funzione, nella maggior parte delle condizioni operative. Tuttavia, la batteria può scaricarsi in condizioni anomale o se l’auto viene lasciata ferma con un utilizzatore acceso, ad esempio i fari. Sulle auto moderne si verifica di norma un consumo costante di energia anche quando sono parcheggiate, causato da componenti come computer di bordo, sistemi di allarme, orologio, etc. Tale consumo causa la scarica graduale della batteria. A seconda del veicolo, questo processo può richiedere settimane o mesi.

Le batterie per veicoli sono progettate per sostenere alcuni cicli di carica e scarica, ma non sono adatti ad applicazioni che prevedono cicli continui ripetitivi (deep cycle). Le batterie Leisure sono progettate proprio per questo genere di applicazioni, in quanto caratterizzate da una struttura speciale che permette di sottoporle a scariche profonde.

Scariche profonde continue nelle batterie per veicoli causano guasti, poiché la materia attiva positiva si deposita gradualmente sul fondo della batteria, riducendo la capacità di accumulo elettrico delle piastre.

La presenza di un numero elevato di piccole particelle nere/marroni nell’elettrolita è una chiara indicazione che la batteria è stata sottoposta a scariche profonde.

Solfatazione

La solfatazione è un processo normale che fa parte del funzionamento di una batteria, e avviene ogni volta che la batteria si scarica. Quando la batteria viene ricaricata, la solfatazione (solfato di piombo) si riconverte in materia attiva.

Se la batteria viene lasciata scarica per un certo periodo di tempo, tale solfatazione cambia lentamente in una forma che non può più essere riconvertita in materia attiva. In questo caso, la batteria non tornerà alle sue performance originarie, una volta ricaricata. In casi di elevata solfatazione, l’avviamento dell’auto risulterà impossibile. Quest’ultimo è il problema noto comunemente come solfatazione.

Carica insufficiente

Per carica insufficiente si intende la condizione in cui la batteria non riceve abbastanza energia da consentire il ritorno allo stato di carica completa; questo causa una graduale solfatazione. Questo problema può presentarsi se l’auto è utilizzata solo occasionalmente per tragitti brevi, o nella percorrenza urbana con sistemi Start-stop. La sotto carica si verifica inoltre se la tensione dell’alternatore è nell’ordine di 13,6 – 13,8 Volt.