Anodo della Batteria
L’anodo è l’elettrodo negativo o riducente che rilascia elettroni al circuito esterno e si ossida durante una reazione elettrochimica. Uno dei materiali per anodi più comuni utilizzati oggi è il grafite litiatato, LixC6, composto da fogli di grafite intercalati con litio. Sono in corso ricerche su nuovi materiali basati su silicio e altre miscele elementari. Il grafite litiatato presenta una cella unitaria con struttura HCP.
Composizione della Batteria
Le batterie sono realizzate con una vasta gamma di materiali che determinano capacità e comportamenti diversi nella funzionalità della batteria. I più comuni sono piombo, nichel, zinco e litio, ognuno con differenti rendimenti e specifici per diversi scopi a seconda delle esigenze. Sono state prodotte molti tipi di celle elettrochimiche con processi chimici e design variabili, inclusi celle galvaniche, celle elettrolitiche, celle a combustibile, celle a flusso e pile voltaiche. Una batteria a cella umida ha un elettrolita liquido. Altri nomi sono cella allagata, poiché il liquido copre tutte le parti interne, o cella ventilata, poiché i gas prodotti durante il funzionamento possono sfuggire nell’aria. Le celle umide sono state un precursore delle celle a secco e sono comunemente utilizzate come strumento di apprendimento per l’elettrochimica. Una cella a secco utilizza un elettrolita in pasta con solo abbastanza umidità per consentire il flusso di corrente. A differenza di una cella umida, una cella a secco può funzionare in qualsiasi orientamento senza versare, poiché non contiene liquidi liberi, rendendola adatta per apparecchiature portatili. La composizione chimica e materiale delle batterie ne determina le dimensioni, il formato e le prestazioni complessive.
Catodo
Il catodo è l’elettrodo positivo o ossidante che acquisisce elettroni dal circuito esterno e si riduce durante una reazione elettrochimica. Nel caso delle batterie al litio, i materiali del catodo sono generalmente costituiti da LiCoO2 o LiMn2O4. Per il catodo, è importante contenere una grande quantità di litio senza cambiamenti significativi nella struttura, avere una buona stabilità chimica ed elettrochimica con l’elettrolita, essere un buon conduttore elettrico e diffusore di ioni di litio, e avere un costo basso.
Elettrolita
Un elettrolita è un mezzo contenente ioni che è elettricamente conduttivo attraverso il movimento di tali ioni ma non conduce elettroni. L’elettrolita della batteria è una soluzione all’interno delle batterie. A seconda del tipo di batteria, può essere una sostanza liquida o simile a una pasta. La scelta dell’elettrolita in tutte le batterie è fondamentale per le prestazioni e la sicurezza. Nelle batterie agli ioni di litio, l’elettrolita è tipicamente un sale di litio sciolto in solventi organici. Un buon elettrolita deve avere bassa reattività con altri componenti della cella, alta conduttività ionica, bassa tossicità, un’ampia finestra di stabilità elettrochimica della tensione (0-5V) e stabilità termica. L’idrossido di potassio acquoso è impiegato come elettrolita nelle batterie alcaline basate su nichel-cadmio, nichel-idrogeno e diossido di manganese-zinco.
Separatore
Un separatore è una membrana permeabile posta tra l’an
odo e il catodo di una batteria. La funzione principale del separatore è mantenere separati i due elettrodi per prevenire cortocircuiti elettrici, permettendo contemporaneamente il trasporto di portatori di carica ionica necessari a chiudere il circuito durante il passaggio di corrente in una cella elettrochimica. I separatori disponibili commercialmente in celle a elettrolita liquido utilizzano materiali poliolefinici microporosi, come polietilene (PE) o polipropilene (PP). I separatori nelle batterie agli ioni di litio devono essere elettrochimicamente e chimicamente stabili rispetto all’elettrolita e ai materiali degli elettrodi. Si stanno sviluppando separatori funzionali che utilizzano membrane rivestite di MOF per svolgere le doppie funzioni di elettrolita e separatore, a supporto della progettazione di batterie al litio-metallo ad alte prestazioni per sistemi ad alta energia in veicoli elettrici e aerei elettrici.
Collettori di Corrente
I collettori di corrente sono il componente della batteria responsabile per il trasferimento del flusso di elettroni dagli elettrodi a un circuito esterno. Sono disponibili diversi tipi di collettori di corrente: rete, schiuma e foglio. Per ridurre le dimensioni complessive e migliorare la capacità volumetrica delle celle, si preferiscono lamine metalliche sottili e leggere. I collettori di corrente sono un volume elettrochimicamente inattivo nella cella, ma costituiscono il substrato su cui vengono applicati i materiali elettrochimicamente attivi con un agente conduttore e un legante adesivo. Pertanto, i collettori di corrente devono possedere un’alta conducibilità elettrica per ridurre la resistenza della cella, nonché stabilità chimica a contatto con l’elettrolita liquido nell’intervallo di tensione operativa degli elettrodi.
La Batteria Alcalina
La batteria alcalina è composta da cinque parti: collettore di corrente interno (pin), anodo, separatore, catodo ed elettrolita. L’anodo attivo è Zn, con un potenziale standard di elettrodo (SEP) di -0.76 volt, utilizzato come materiale anodico per le batterie. Il separatore, una membrana permeabile, è posto tra l’anodo e il catodo, ad esempio un tessuto fibroso non tessuto che separa gli elettrodi. Il materiale attivo del catodo è il diossido di manganese, utilizzato principalmente per batterie a secco, come la batteria alcalina e la batteria a carbonio-zinco. L’elettrolita è idrossido di potassio acquoso, impiegato nelle batterie alcaline. Il collettore di corrente esterno (can) completa la struttura della batteria alcalina.
