Guida alle tipologie di batterie elettriche presenti sul mercato. Quali sono e come funzionano.

Ci sono diverse tipologie di batterie elettriche presenti oggi sul mercato, tra cui:

Batterie al piombo-acido: Sono le batterie più economiche e utilizzate principalmente per le applicazioni automotive. Tuttavia, sono pesanti e hanno una vita utile relativamente breve.
Batterie al nichel-cadmio (NiCad): Sono state ampiamente utilizzate in passato, ma sono state sostituite da tecnologie più avanzate. Hanno una densità energetica relativamente bassa e contengono materiali tossici.
Batterie al nichel-metallo idruro (NiMH): Sono una scelta più ecologica rispetto alle batterie NiCad. Hanno una densità energetica leggermente superiore, ma sono ancora relativamente pesanti.
Batterie agli ioni di litio (Li-ion): Sono la tecnologia più comune utilizzata in dispositivi portatili come smartphone, tablet e laptop. Sono leggere, hanno una densità energetica elevata e una vita utile relativamente lunga.
Batterie al polimero di litio-ion (Li-poly): Sono simili alle batterie Li-ion, ma utilizzano un'elettrolita solido al posto di uno liquido, che le rende più sottili e flessibili. Sono spesso utilizzate in dispositivi come smartwatch e droni.
Batterie al litio-ferro-fosfato (LiFePO4): Sono una tecnologia emergente che sta diventando sempre più popolare per le applicazioni di stoccaggio dell'energia. Sono più sicure e durature rispetto alle batterie Li-ion, ma hanno una densità energetica inferiore.
Batterie a flusso: Queste batterie utilizzano due elettroliti liquidi separati da una membrana, che consente di archiviare grandi quantità di energia. Sono utilizzate principalmente per l'archiviazione di energia a livello industriale.

Ci sono anche altre tecnologie emergenti come le batterie al sodio-ion e le batterie a stato solido, che potrebbero diventare più comuni in futuro.

Come funziona una batteria al piombo? Quali sono i pro e i contro del suo impiego?

Una batteria al piombo funziona utilizzando due elettrodi di piombo immersi in un elettrolita di acido solforico diluito. Quando la batteria è in carica, viene applicata una corrente esterna che spinge gli ioni di piombo dalle piastre negative a quelle positive, dove vengono convertiti in piombo perossido e piombo metallico rispettivamente. Quando la batteria viene scaricata, il processo viene invertito e i due ioni di piombo reagiscono con l'acido solforico per erogare energia.

I pregi delle batterie al piombo sono che sono relativamente economiche, robuste e affidabili, con un'ampia gamma di applicazioni, dall'automotive (sistemi di accensione per motori endotermici) ai sistemi di backup di emergenza come gli UPS e i soccorritori. Inoltre, sono facilmente riciclabili e possono essere smaltite in modo relativamente sicuro.

Tuttavia, ci sono anche diversi difetti delle batterie al piombo. Innanzitutto, hanno una densità energetica relativamente bassa rispetto ad altre tecnologie di batterie, il che significa che possono immagazzinare meno energia per unità di peso. Inoltre, sono relativamente pesanti e voluminose rispetto ad altre tecnologie di batterie, il che le rende meno adatte per le applicazioni che richiedono portabilità e compattezza. Inoltre, le batterie al piombo sono soggette a problemi di autoscarica e sono sensibili alle temperature estreme, il che può ridurne la vita utile. Infine, il piombo è un metallo tossico e l'estrazione e la lavorazione del piombo possono avere un impatto negativo sull'ambiente.

Batterie al Nichel-Cadmio: funzionamento, pregi e difetti.

Una batteria al Nichel Cadmio (NiCd) è composta da una coppia di elettrodi, un anodo di cadmio (Cd) e un catodo di ossido di nichel (NiO). Gli elettrodi sono separati da un separatore impregnato di elettrolita alcalino, generalmente una soluzione di idrossido di potassio (KOH) o idrossido di sodio (NaOH).

Quando la batteria viene caricata, gli ioni di cadmio si muovono verso il catodo, dove reagiscono con l'ossido di nichel per formare idrossido di nichel e cadmio metallico. Questa reazione produce energia elettrica che può essere utilizzata per alimentare un dispositivo elettronico.

Quando la batteria viene scaricata, il processo avviene al contrario. Gli ioni di cadmio vengono liberati dal catodo e si combinano con l'idrossido di potassio o idrossido di sodio nell'elettrolita per formare cadmio idrossido e ossido di nichel. Questa reazione consuma l'energia elettrica immagazzinata nella batteria.

Il principale pregio di una batteria al Nichel Cadmio è la sua affidabilità e durata nel tempo, con una vita media di 1000 cicli di ricarica/scarica. Inoltre, le batterie NiCd sono in grado di fornire una corrente costante per un periodo prolungato di tempo, rendendole adatte per applicazioni ad alta corrente come avviatori per motori o per l'illuminazione di emergenza.

Tuttavia, le batterie al Nichel Cadmio hanno anche alcuni svantaggi. In primo luogo, contengono materiali tossici come il cadmio che rappresentano un rischio per la salute umana e per l'ambiente se smaltiti in modo improprio. Inoltre, le batterie NiCd hanno una bassa densità energetica rispetto ad altre tecnologie di batterie al litio, al piombo o all'acido solforico, il che significa che occupano più spazio a parità di quantità di energia immagazzinata. Infine, le batterie NiCd possono soffrire di "effetto memoria", che significa che se vengono ricaricate prima che si esaurisca completamente la loro carica, potrebbero ridurre la capacità massima della batteria.

Batterie al Nichel-Metallo-Idruro (NiMH)

Le batterie al nichel-metallo idruro (NiMH) sono una tecnologia di batterie ricaricabili che utilizza un catodo di nichel, un anodo di idrogeno assorbito su lega di metallo elettrochimicamente attiva e un elettrolita a base di idrossido di potassio. Queste batterie sono spesso utilizzate in dispositivi elettronici di consumo come fotocamere digitali, giocattoli e telecomandi.

I vantaggi delle batterie NiMH sono diversi. In primo luogo, hanno una maggiore capacità rispetto alle batterie al nichel-cadmio (NiCad) e possono immagazzinare più energia per unità di peso. Inoltre, non soffrono dell'"effetto memoria" che era comune nelle batterie NiCad. Infine, le batterie NiMH sono relativamente economiche da produrre e sono considerate meno tossiche rispetto alle batterie al piombo.

Tuttavia, ci sono anche alcuni svantaggi delle batterie NiMH. In primo luogo, hanno una tendenza a perdere la carica nel tempo, anche quando non vengono utilizzate, cioè hanno una maggiore autoscarica rispetto alle batterie al litio e possono richiedere una carica più frequente. Inoltre, possono essere meno stabili rispetto alle batterie al litio e possono essere soggette a surriscaldamento o esplosione se non utilizzate o ricaricate correttamente.

In generale, le batterie NiMH sono una scelta popolare per i consumatori che desiderano una batteria ricaricabile con una buona capacità e che non vogliono pagare un prezzo elevato. Tuttavia, se la durata della batteria e le prestazioni sono una priorità, le batterie al litio-ion o al polimero di litio-ion (Li-poly) potrebbero essere una scelta migliore.

Batterie agli ioni di Litio (Li-ion)

Una batteria agli ioni di litio (Li-ion) è composta da un anodo di grafite, un catodo di un materiale come l'ossido di cobalto o l'ossido di manganese, e un elettrolita liquido contenente ioni di litio.

Quando la batteria viene caricata, gli ioni di litio si muovono dall'elettrolita verso il catodo, dove si combinano con gli ioni di ossigeno per formare ioni di litio e ossido di cobalto o di manganese. Questa reazione produce energia elettrica che può essere utilizzata per alimentare un dispositivo elettronico.

Quando la batteria viene scaricata, il processo avviene al contrario. Gli ioni di litio vengono liberati dal catodo e si muovono verso l'anodo attraverso l'elettrolita, producendo energia elettrica che può essere utilizzata per alimentare un dispositivo.

Le batterie agli ioni di litio sono state sviluppate negli anni '90 e sono diventate popolari per l'uso in dispositivi elettronici portatili come telefoni cellulari, computer portatili e fotocamere digitali. Tra i vantaggi delle batterie Li-ion ci sono:

Elevata densità energetica: le batterie agli ioni di litio hanno una delle più alte densità di energia disponibili, il che significa che possono immagazzinare una grande quantità di energia in un piccolo volume.
Basso tasso di auto-scarica: le batterie Li-ion perdono la loro carica a un tasso molto basso, il che significa che possono mantenere la loro carica per lungo tempo senza essere utilizzate.
Lunga durata: le batterie agli ioni di litio hanno una vita utile più lunga rispetto ad altre tecnologie di batterie ricaricabili.

Tuttavia, le batterie agli ioni di litio hanno anche alcuni svantaggi, tra cui:

Costo elevato: le batterie Li-ion sono generalmente più costose rispetto ad altre tecnologie di batterie.
Sensibilità alle alte temperature: le batterie agli ioni di litio possono subire danni se esposte a temperature elevate.
Potenziale rischio di incendio: se danneggiate o utilizzate in modo improprio, le batterie Li-ion possono surriscaldarsi e prendere fuoco.
Tasso di degradazione: le batterie Li-ion possono subire una certa degradazione nel tempo e perdere gradualmente la loro capacità di immagazzinare energia.

Batterie al polimero di litio-ion (Li-poly)

Una batteria al polimero di litio-ion (Li-poly) funziona utilizzando un elettrolita solido al posto di uno liquido, che le rende più sottili e flessibili. All'interno della batteria, gli ioni di litio fluiscono tra l'anodo e il catodo attraverso l'elettrolita solido, che è spesso costituito da un polimero.

I vantaggi delle batterie Li-poly sono numerosi:

in primo luogo, sono molto leggere e sottili, il che le rende ideali per l'utilizzo in dispositivi portatili come smartphone, tablet e laptop.
Sono altamente efficienti e possono immagazzinare più energia per unità di peso rispetto alle batterie al piombo o al nichel-cadmio (NiCad)
non hanno il problema dell'effetto memoria, che era comune con le vecchie tecnologie di batterie NiCad e NiMH;
sono generalmente più sicure rispetto alle altre tecnologie di batterie al litio, perché sono meno soggette a surriscaldamento e incendio.

Tuttavia, ci sono anche alcuni svantaggi delle batterie Li-poly:

sono relativamente costose da produrre rispetto ad altre tecnologie di batterie
la densità di energia delle batterie Li-poly è ancora inferiore rispetto alle batterie Li-ion, il che significa che possono immagazzinare meno energia per unità di peso
possono essere soggette a problemi di gonfiaggio e degradazione della capacità nel tempo, soprattutto se non vengono utilizzate correttamente o se non vengono conservate adeguatamente.

Batteria al polimero di litio-ferro-fosfato (LiFePO4)

Le batterie al litio-ferro-fosfato (LiFePO4) sono un tipo di batteria agli ioni di litio che utilizzano il ferro come materiale del catodo e il fosfato come materiale dell'anodo. Questa tecnologia è stata sviluppata per fornire una soluzione più sicura e affidabile rispetto ad altre batterie agli ioni di litio.

Il funzionamento delle batterie LiFePO4 è simile a quello delle altre batterie agli ioni di litio. Quando la batteria viene caricata, gli ioni di litio si muovono dall'anodo al catodo attraverso l'elettrolita, producendo energia elettrica. Quando la batteria viene scaricata, il processo avviene al contrario, con gli ioni di litio che si muovono dal catodo all'anodo.

Tra i principali vantaggi delle batterie LiFePO4 ci sono:

Sicurezza: a differenza di altre batterie agli ioni di litio, le batterie LiFePO4 sono meno sensibili alle alte temperature e meno inclini a prendere fuoco o a esplodere. Questo le rende più sicure da utilizzare in situazioni in cui la sicurezza è una preoccupazione importante.
Durata: le batterie LiFePO4 hanno una vita utile più lunga rispetto ad altre batterie ricaricabili e possono durare fino a 10 anni con una corretta manutenzione.
Efficienza: le batterie LiFePO4 sono altamente efficienti e possono convertire l'energia elettrica in energia chimica con una perdita minima di energia.
Ecocompatibilità: le batterie LiFePO4 sono più ecologiche rispetto ad altre tecnologie di batterie, poiché utilizzano materiali non tossici e non contengono metalli pesanti.

Tuttavia, ci sono anche alcuni svantaggi delle batterie LiFePO4, tra cui:

Costo elevato: le batterie LiFePO4 sono generalmente più costose rispetto ad altre tecnologie di batterie.
Capacità di scarica limitata: le batterie LiFePO4 hanno una capacità di scarica limitata rispetto ad altre tecnologie di batterie, il che significa che potrebbero non essere adatte per alcune applicazioni ad alta potenza.
Peso elevato: le batterie LiFePO4 sono più pesanti rispetto ad altre tecnologie di batterie a causa dell'utilizzo di materiali come il ferro e il fosfato.

In generale, le batterie LiFePO4 sono una scelta popolare per applicazioni che richiedono una maggiore sicurezza e durata, come veicoli elettrici e sistemi di accumulo energetico per abitazioni e imprese.

Batterie a flusso

Le batterie a flusso sono un tipo di batteria che utilizza una soluzione elettrolitica di solito contenente una miscela di metalli. A differenza delle batterie convenzionali, le batterie a flusso separano il materiale di carica dall'elettrolita, creando una soluzione flussante che può essere immagazzinata in un serbatoio esterno e poi pompata attraverso una cella elettrochimica per generare elettricità.

Le batterie a flusso sono particolarmente utili per il loro potenziale di scala, in quanto la capacità di immagazzinamento dell'energia può essere aumentata semplicemente aggiungendo più soluzione elettrolitica. Inoltre, poiché l'elettrolita viene utilizzato solo per produrre elettricità, il materiale di carica può essere utilizzato in modo più efficiente rispetto alle batterie convenzionali.

Le batterie a flusso sono anche notevoli per la loro capacità di ricarica rapida, poiché il liquido può essere semplicemente pompato attraverso la cella elettrochimica più velocemente per produrre più elettricità. Questo le rende una scelta ideale per applicazioni in cui è necessaria una rapida risposta energetica, come nei sistemi di alimentazione di emergenza.

Tuttavia, le batterie a flusso hanno anche alcuni svantaggi. La loro densità di energia è attualmente inferiore a quella delle batterie al litio-ion, il che significa che richiedono un volume maggiore per immagazzinare la stessa quantità di energia. Inoltre, la soluzione elettrolitica può essere corrosiva e tossica, il che richiede attenzione nella sua gestione e smaltimento.

In sintesi, le batterie a flusso sono un tipo di batteria interessante e in via di sviluppo che offre un potenziale di scala e di efficienza energetica superiore rispetto alle batterie convenzionali. Tuttavia, il loro uso è attualmente limitato a poche applicazioni specifiche a causa delle sfide tecniche e del costo associato alla loro produzione e gestione.