Letteratura

> Introduzione

> Principi di funzionamento

> Classificazione delle batterie piombo acido

> Tipologie costruttive

> Tempi di vita

 

> Introduzione
La tecnologia delle batterie ha visto numerose evoluzioni negli anni, spinta dalla necessità di ridurre gli ingombri e le masse delle batterie stesse a parità di energia immagazzinata.
Nonostante svariati tipi di batterie si siano presentati sul mercato nel corso degli anni (Nickel Cadmium, Nickel Metal Hydride, Lithium Ion, etc, etc), le batterie Piombo/Acido, dopo oltre un secolo di onorato servizio, sono tuttora largamente utilizzate in diversi settori.
In particolare, nel settore automotive (batterie per avviamento e/o per trazione elettrica) e in quello marino questo genere di batterie è addirittura insostituibile, grazie sostanzialmente ad un rapporto prezzo/prestazioni molto competitivo e ad una affidabilità estrememente elevata, se utilizzate correttamente.

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> Principi di funzionamento
Una qualsiasi batteria piombo/acido è internamente costituita da una serie di celle. Ad esempio, una batteria 12V si compone di 6 celle da 2V collegate in serie tra loro.
Ciascuna cella è a sua volta composta da un elettrodo positivo (barra di biossido di piombo), da un elettrodo negativo (barra di piombo) e da un elettrolita (soluzione di acqua distillata e acido solforico) contenente ioni di zolfo (carichi negativamente) e ioni di idrogeno (carichi positivamente).
Quando la batteria viene collegata ad carico elettrico (ad esempio una lampadina), gli ioni si muovono verso i rispettivi elettrodi per cedere la loro carica elettrica. Pertanto, al crescere del livello di scarica della batteria, diminuirà la concentrazione di ioni nell'elettrolita.
Per contro, caricare la batteria inverte il processo di scarica sopra descritto, dal momento che il piombo solfatato viene convertito in piombo e in ossido di piombo rispettivamente sull'elettrodo negativo e positivo della cella piombo acido.

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> Classificazione delle batterie piombo acido
A seguire una panoramica dei principali campi d'applicazione delle batterie piombo acido:

Avviamento (Starting):
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Queste batterie (a volte chiamate anche SLI - Starting, Lighting, Ignition) sono generalmente impiegate per l'avviamento e il funzionamento dei motori a scoppio. Pertanto la caratteristica principale di queste batterie è proprio quella di essere in grado di fornire forti correnti, dell'ordine diverse decine di Amperes, per tempi relativamente brevi (secondi) durante l'avviamento di un motore a scoppio.
Questo tipo di batterie è caratterizzato dalla presenza di un elevato numero di elettrodi più o meno sottili, al fine di massimizzare la superficie di contatto tra l'elettrodo stesso e l'elettrolita, per di fornire correnti elettriche anche molto intense per brevi periodi.

Trazione (Deep Cycle):
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Queste batterie sono specificatamente progettate per poter essere scaricate fino all'80% circa e trovano il loro impiego principale nel settore della trazione elettrica (si pensi ad esempio alle vetturette elettriche utilizzate nei campi da golf o ai carrelli elevatori).
Hanno generalmente elettrodi meccanicamente più robusti rispetto alle batterie per avviamento, per sopportare sia una maggior numero di cicli carica/scarica che scariche fino all'80% circa.

Marino:
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Molte batterie per impiego marino sono una sorta di "ibrido" con caratteristiche intermedie tra le batterie per avviamento e quelle deep-cycle. Gli elettrodi sono generalmente più robusti rispetto alle batterie per avviamento anche se di spessore inferiore se paragonati alle batterie deep cycle. Solitamente i costruttori consigliano di non scaricarle oltre il 50%.

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> Tipologie costruttive
A seguire una panoramica delle principali tipologie di batterie piombo acido:

Standard / sigillate (MF)
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La maggior parte delle batterie sono di questo genere e sono caratterizzate dall'avere entrambi gli elettrodi (positivo e negativo) immersi in un elettrolita liquido (soluzione di acqua distillata e acido solforico). Le batterie standard sono dotate di tappi removibili per consentire il ripristino del livello dell'elettrolita mentre quelle sigillate (MF - Maintenance Free - senza manutenzione) sono costituite da forellini di ventilazione che (solitamente) non possono essere rimossi e che permettono all'eventuale gas che si genera durante la ricarica della batteria di disperdersi in aria al di fuori della batteria stessa.
Pertanto le batterie MF non sono totalmente sigillate ed è altresì importante evitare di sovracaricarle, diversamente l'elettrolita evaporerà anzitempo causando un sensibile accorciamento della vita della batteria stessa.
Alcune (non molte) batterie sigillate sono dotate di speciali tappi in grado di riconvertire l'idrogeno e l'ossigeno generati durante il processo di ricarica (specie se sovracaricate) nuovamente in acqua al fine di ridurre le perdite d'acqua dell'elettrolita anche fino al 90-95% circa.
Un buon numero di batterie deep-cycle impiega elettrodi al Piombo-Calcio (Lead-Calcium plates) o al Piombo-Antimonio (Lead-Antimony plates) al fine di aumentare la vita della batteria e la robustezza meccanica degli elettrodi stessi.

Gel
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Le batterie al gel contengono elettrolita gellificato mediante l'aggiunta di gel di silice: questo rende l'elettrolita (soluzione acida composta da acqua e acido solforico) una massa gelatinosa e solida.
Il vantaggio principale di queste batterie sta nel fatto che è assolutamente impossibile che rilascino acido, anche se l'involucro di cui sono costituite si rompesse o se fossero capovolte.
Pertanto anche queste batterie sono sigillate e non richiedono alcun tipo di manutenzione (ad esempio il ripristino periodico del livello dell'elettrolita).
Tuttavia presentano anche qualche svantaggio: il principale è che devono essere caricate con correnti e tensioni più basse rispetto alle altre batterie, diversamente c'è la possibilità che si formino all'interno dell'elettrolita gellificato delle bolle di gas tali da danneggiarle permanentemente. È pertanto importante evitare di caricarle con i soliti caricabatterie rapidi (fast) ed economici, diversamente si degraderanno rapidamente risultando del tutto inservibili in breve tempo.

AGM (VRLA)
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Questo tipo di batterie sigillate si caratterizza per il fatto di avere un elettolita solido del tipo AGM (Absorbed Glass Mat, ovvero una fibra di vetro molto fine costituita da Boro-Silicio "imbevuta" di acido - soluzione di acqua e acido solforico) tra gli elettrodi.
Pertanto queste batterie sono molto sicure in quanto garantiscono la non fuoriuscita dell'acido anche se rotte.
Quasi tutte le batterie AGM sono anche del tipo VRLA (Valve Regulated Lead Acid): questo significa che la batteria dispone di una piccola valvola che mantiene all'interno della batteria una leggera pressione positiva rispetto all'ambiente esterno (atmosfera). Pertanto queste batterie sono leggermente sotto pressione.
Come si può facilmente intuire, queste batterie presentano tutti i vantaggi delle batterie al gel ma senza presentarne i limiti dal momento che possono sopportare correnti di carica più sostenute rispetto alle batterie al Gel: possono essere ricaricate come le batterie standard (o MF).
Altra caratteristica importante di queste batterie è che sono "ricombinanti", ovvero che l'ossigeno e l'idrogeno che si formano durante la ricarica si ricombinano generando nuovamente acqua (con efficienza superiore al 90%) direttamente all'interno della batteria, garantendo una perdita di acqua estremamente contenuta durante l'intero tempo di vita della batteria stessa.

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> Tempi di vita
Il tempo di vita di una batteria può variare considerevolmente a seconda di diversi fattori; i più importanti sono tuttavia il corretto impiego e la corretta manutenzione (ricarica).
Tra i motivi principali che possono portare una batteria ad una morte prematura vi sono i seguenti:

1. Lasciare inattiva la batteria (solfatazione per autoscarica).
   Una caratteristica da non sottovalutare di tutte le batterie piombo acido è quella di autoscaricarsi da sole, specialmente se non utilizzate per diverse settimane, se non addirittura mesi.
   A peggiorare le cose si aggiunge il fatto che i dispositivi elettronici presenti a bordo nei veicoli d'oggi giorno (centraline di vario tipo, allarme, radio, orologio digitale, etc, etc) richiedono continuamente deboli ma continue correnti alla batteria anche quando il veicolo viene tenuto spento ed inutilizzato.
   Ad esempio, questo accade molto spesso per le motociclette: vengono lasciate in garage in autunno - all'inizio della brutta stagione - ed in primavera, alla ripresa del loro utilizzo, non si riesce più a metterle in moto dal momento che la batteria è del tutto (o parzialmente) scarica.
   In questi casi accade sovente che, nonostante si tenti più volte di ricaricarla, non si riesca a mettere in moto il veicolo: la batteria si è infatti "solfatata", ovvero gli elettrodi si sono rivestiti di cristalli a base di piombo-zolfo sufficientemente grandi e profondi da non poter più essere rimossi durante il processo di ricarica.
   Tale processo (solfatazione) è praticamente irreversibile e condanna la batteria ad una fine prematura facilmente evitabile se la batteria fosse stata tenuta sempre al 95-100% della sua carica durante il periodo d'inutilizzo del veicolo.
   
2. Mantenere la batteria parzialmente scarica (solfatazione progressiva)
   Lasciare una batteria piombo-acido parzialmente scarica determina un accumulo progressivo nel tempo di cristalli a base di piombo-zolfo sufficientemente grandi e profondi da non poter più essere rimossi durante il processo di ricarica. Questo processo che si genera all'interno della batteria prende il nome di solfatazione ed ha la caratteristica di essere praticamente irreversibile, condannando la batteria ad una fine prematura facilmente evitabile qualora la batteria fosse stata tenuta sempre al 95-100% della sua carica.
   
3. Scaricare le batterie oltre il loro limite massimo (corrosione elettrodi)
   La scarica della batteria oltre il suo limite massimo è un altro serio "killer" dal momento che, ogni volta che questa viene scaricata in questo modo, una frazione degli elettrodi si corrode andando a depositarsi sul fondo della batteria stessa.
   Ovviamente questo determina una progressiva minore superficie di scambio tra l'elettrolita e l'elettrodo all'interno della batteria insieme ad una minore resistenza meccanica degli elettrodi stessi (in quanto corrosi).
   
4. Sovraccarica (distruzione elettrolita)
   Sovracaricare la batteria è un errore grave ed insidioso al tempo stesso in quanto i suoi effetti spesso non sono visibili per l'acquirente poco esperto, che compra caricabatterie che caricano la batteria erogando una corrente costante indipendentemente dallo stato della batteria: se il caricabatterie fornisce alla batteria una corrente troppo elevata durante le varie fasi della carica (si veda la sezione "Algoritmo di Carica BC") questo causerà l'evaporazione in breve tempo (ore) dell'elettrolita nelle batterie standard (o sigillate MF), o la formazione di cavità (bolle di gas) nell'elettrolita gellificato nel caso delle batterie al Gel.
   

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