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PILE

PILE. L’ENERGIA TASCABILE. Qualità di una pila di interesse pratico:. Poco costosa Portatile Non nociva per l’ambiente quando eliminata Differenza di potenziale stabile nel tempo Piccole massa e volume. Caratteristiche da massimizzare:.

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Presentation Transcript

  1. PILE L’ENERGIA TASCABILE

  2. Qualità di una pila di interesse pratico: • Poco costosa • Portatile • Non nociva per l’ambiente quando eliminata • Differenza di potenziale stabile nel tempo • Piccole massa e volume

  3. Caratteristiche da massimizzare: • Energia specifica: energia libera di reazione a chilogrammo (kWh/kg); • Densità di energia: energia libera di reazione per litro (kWh/L); • Densità di potenza: potenza erogabile per litro (W/L). Importante per le applicazioni che richiedono un “colpo di corrente”, come la batteria d’automobile.

  4. Tipologie di pile (o batterie) • Celle primarie: si usano una sola volta; i reagenti sono chiusi ermeticamente alla produzione. Si basano su una redox irreversibile. • Celle secondarie: Vanno caricate prima dell’uso e sono ricaricabili. Si basano su una redox reversibile grazie a una fonte esterna di energia.

  5. Pile a secco (Pile Leclanché, o zinco-carbonio) Inventate nel 1866 dall’ingegnere francese George Leclanché.

  6. Sono le prime a poter essere impiegate in apparecchi portatili. Il successo commerciale è enorme

  7. Struttura Catodo di grafite (“bacchetta”) avvolto da MnO2 e nerofumo Elettrolita: NH4Cl, fissato da materiali adsorbenti (amido, farina fossile, gelatina…), che funzionano da supporto (da cui il nome “pile a secco”). Anodo di zinco (“tazza”), esposto sul fondo

  8. Varianti: Il catodo di grafite può essere inerte (privo di manganese) L’elettrolita, NH4Cl, può essere mescolato al materiale anodico (MnO2) e a polvere di grafite che funge da contatto elettrico. L’anodo di zinco può essere isolato da una membrana porosa

  9. CATODO (+): 2 MnO2(s) + NH4++ 2e- Mn2O3(s)+ 2NH3 + H2O ANODO (-): Zn (s) Zn 2++ 2 e-

  10. Reazione complessiva: CATODO (+): 2 MnO2 + NH4++ 2e- Mn2O3 + 2NH3 + H2O ANODO (-): Zn  Zn 2++ 2 e- MnO2 + Zn + NH4+ Mn2O3 + Zn 2+ + 2NH3 + H2O

  11. Caratteristiche: • Basso costo. • Materiali non tossici. • L’elettrolita è su substrato solido (ma umido) per garantire trasportabilità.

  12. Caratteristiche: • L’ammoniaca complessa lo zinco formando [Zn(NH3)4]2+, sottraendo parte dello Zn2+ all’equilibrio e tamponando la variazione del potenziale di elettrodo. MnO2 + Zn + NH4+ Mn2O3 + Zn 2+ + 2NH3 + H2O Zn 2+ + 4 NH3  [Zn(NH3)4]2+

  13. Caratteristiche: • Il triossido di manganese (Mn2O3) si idrata: si forma MnO(OH), pure insolubile. • Lo ione cloruro di NH4Cl salifica il complesso tetraamminozinco. MnO2 + H2O 3MnO(OH) [Zn(NH3)4]2+ + Cl -  [Zn(NH3)4]Cl

  14. Schema complessivo

  15. Principali difetti: • Differenza di potenziale instabile (scende con l’uso da 1,5 V a 0,8 V, via via che si accumulano i prodotti di reazione). • Scarica rapida in caso di forti consumi di corrente, a causa della lentezza nella diffusione dell’elettrolita (scarica in parte reversibile col tempo). • Alta resistenza interna per lo stesso motivo.

  16. Principali difetti: • Lo zinco reagisce con l’elettrolita (NH4+ è acido) anche se la batteria non è in uso. • Tendenza a trasudare (“ossidarsi”) per la corrosione della cassa di zinco. • Impossibilità di riciclaggio e di ricarica.

  17. Pile alcaline Sono progettate per ovviare almeno in parte ai difetti delle zinco-carbonio.

  18. Struttura Catodo di grafite (“bacchetta”) avvolto da MnO2 e nerofumo Elettrolita KOH, fissato da materiali adsorbenti analogamente alle pile a secco. Anodo di zinco in polvere, collegato elettricamente col fondo e separato dall’elettrolita da una parete porosa

  19. CATODO (+): 2 MnO2(s) + H2O + 2e- Mn2O3(s)+ 2 OH- ANODO (-): Zn (s) Zn 2++ 2 e-

  20. Reazione complessiva: CATODO (+): 2 MnO2 + H2O + 2e- Mn2O3 + 2 OH- ANODO (-): Zn  Zn 2++ 2 e- MnO2 + Zn + H2O  Mn2O3 + Zn 2+ + 2 OH-

  21. Caratteristiche: • L’ossidrile OH- reagisce con lo zinco formando ossido ZnO insolubile, sottraendo lo Zn2+ all’equilibrio e tamponando la variazione del potenziale di elettrodo. MnO2 + Zn + H2O  Mn2O3 + Zn 2+ + 2 OH- Zn 2+ + 2 OH-  ZnO + H2O • OH- si rigenera nella reazione catodica ed agisce da catalizzatore, non consumandosi.

  22. Principali vantaggi comparativi: • Differenza di potenziale stabile, grazie alla costanza delle concentrazioni (reagenti e prodotti sono tutti solidi). • Maggiore velocità di diffusione dell’elettrolita (la resistenza interna è minore, quindi la corrente erogabile è maggiore).

  23. Principali vantaggi comparativi: • Maggior durata.

  24. Pile a bottone (a mercurio o Mallory) Migliorano ulteriormente le caratteristiche delle pile alcaline, permettendo una miniaturizzazione estrema.

  25. Struttura Anodo di zinco in polvere Elettrolita KOH 40%, fissato da materiali adsorbenti. Catodo di ossido di mercurio (II) in sferule e grafite

  26. Varianti:

  27. ANODO (-): Zn  Zn 2++ 2 e- Zn 2+ + 2 OH-  ZnO + H2O CATODO (+): HgO + H2O + 2 e-  Hg + 2 OH-

  28. Reazione complessiva: CATODO (+): HgO + H2O + 2 e-  Hg + 2 OH- ANODO (-): Zn  Zn 2++ 2 e- HgO + Zn  Hg + ZnO

  29. Principali vantaggi comparativi: • Differenza di potenziale molto stabile (1,35 V), grazie alla costanza delle concentrazioni (reagenti e prodotti sono tutti solidi o liquidi metallici). • Possibilità di miniaturizzazione spinta

  30. Principali difetti: • Costo elevato. • Il mercurio è un metallo tossico e inquinante, difficile da smaltire, che va raccolto separatamente e riciclato. Deformità provocata da inquinamento da mercurio in nidiaceo di uccello acquatico.

  31. Il mercurio si accumula nella catena alimentare, concentrandosi nei pesci e negli uccelli acquatici.

  32. Pile a bottone a ossido d’argento Riprende le caratteristiche delle pile a mercurio, rendendole più adatte ad apparecchi quali pace-makers ecc.

  33. Struttura Anodo di zinco in polvere Catodo di ossido di argento in sferule e grafite

  34. Principali vantaggi comparativi: • Differenza di potenziale molto stabile e più alta rispetto al mercurio (1,5 V), grazie alla costanza delle concentrazioni (reagenti e prodotti sono tutti solidi). • Possibilità di miniaturizzazione spinta.

  35. Principali difetti: • Costo elevato. • Anche l’argento è un metallo tossico e inquinante, che va raccolto separatamente e riciclato.

  36. Celle secondarie (o accumulatori) Permettono di ricaricare la pila mediante una fonte esterna di energia, sfruttando una reazione reversibile.

  37. Accumulatori al piombo Vengono usati, tra l’altro, per le batterie d’automobile.

  38. Struttura (1 di 6 elementi in serie) Anodo di piombo rivestito da piombo spugnoso Catodo di piombo rivestito da biossido di piombo Elettrolita: acido solforico

  39. SCARICA DEL CATODO (+): PbO2(s) + 4 H++ 2 e- Pb2++ 2 H2O SCARICA DELL’ANODO (-): Pb (s) Pb 2++ 2 e-

  40. Reazione complessiva: CATODO (+): PbO2(s) + 4 H++ 2 e- Pb2++ 2 H2O ANODO (-): Pb (s) Pb 2++ 2 e- PbO2(s) + Pb (s) + 4 H+ 2 Pb2++ 2 H2O

  41. Caratteristiche: • Lo ione Pb2+ viene precipitato come solfato PbSO4 dall’acido solforico, mantenendo costante la concentrazione dei prodotti (pari alla solubilità del solfato di piombo). Pb2+ + SO42- PbSO4 (s) • Il solfato di piombo protegge inoltre le barre di piombo dalla corrosione ad opera dell’acido solforico (passivazione).

  42. Caratteristiche: • L’acido solforico tende a consumarsi e quindi a diluirsi, provocando una rapida scarica della pila. • La reazione è reversibile: con una dinamo o un alternatore è possibile invertire il senso della reazione, imponendo una ddp alle piastre e rigenerando piastre ed elettrolita.

  43. SCARICA DEL CATODO (+): PbO2(s) + 4 H++ 2 e- Pb2++ 2 H2O SCARICA DELL’ANODO (-): Pb (s) Pb 2++ 2 e-

  44. CARICA DEL CATODO : PbO2(s) + 4 H++ 2 e- Pb2++ 2 H2O _ + e- e- CARICA DELL’ANODO : Pb (s) Pb 2++ 2 e-

  45. Altre caratteristiche: • La ddp erogata è di circa 2 V; una batteria di 6 elementi in serie eroga una ddp di 12 V. • Elevata densità di potenza (spunto).

  46. Principali difetti: • Elevato ingombro. • Materiali fortemente inquinanti (piombo) e difficilmente smaltibili. • Durante la scarica si può produrre come sottoprodotto idrogeno gassoso, infiammabile ed esplosivo.

  47. Accumulatori al nichel-cadmio Sono accumulatori di piccole dimensioni, adatti a dispositivi portatili.

  48. Struttura Catodo di ossido basico di nichel NiOOH Anodo di cadmio Elettrolita alcalino (KOH)

  49. SCARICA DEL CATODO (+): 2 NiOOH (s) + 2 H2O+ 2 e- 2 Ni(OH)2 (s) + 2 OH- SCARICA DELL’ANODO (-): Cd (s)+ 2 OH- Cd(OH)2 (s)+ 2 e-

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