Introduzione alle Batterie al Piombo-Acido
Le batterie al piombo-acido sono batterie secondarie (ricaricabili) costituite da un involucro, due piastre di piombo o gruppi di piastre, di cui una funge da elettrodo positivo e l’altra da elettrodo negativo, e un riempimento di acido solforico al 37% (H2SO4) come elettrolita. Utilizzate principalmente in ambito automobilistico per avviamento, illuminazione e accensione (SLI), hanno visto la spedizione di circa 320 milioni di unità nel 1999. Nel 1992, circa 3 milioni di tonnellate di piombo sono state impiegate nella produzione di queste batterie. Trovano applicazione anche in settori industriali come fonte di trazione per veicoli minerari e carrelli elevatori, oltre a essere fonti di alimentazione stazionaria per emergenze e segnalazioni ferroviarie e di telecomunicazione.
Composizione e Funzionamento
Una batteria al piombo-acido si compone di un elettrodo negativo in piombo spugnoso o poroso, e un elettrodo positivo in ossido di piombo, immersi in una soluzione elettrolitica di acido solforico e acqua. Un diaframma elettricamente isolante ma chimicamente permeabile separa gli elettrodi, prevenendo cortocircuiti attraverso l’elettrolita. La tensione nominale per cella è di circa 2V, variando tra 1,75 V e 2,4V a seconda dello stato di carica (SoC) e della corrente di carica o scarica.
Tipologie e Applicazioni
Esistono due gruppi principali di batterie al piombo-acido:
1. VLA (vented lead-acid battery), con elettrolita in eccesso e ventilazione.
2. VRLA (valve-regulated lead-acid battery), sigillata o regolata da valvola, con elettrolita immobilizzato in un separatore assorbente o in gel.
Le batterie VLA si dividono ulteriormente in:
Trazione o ciclo profondo: adatte per scariche costanti e prolungate.
SLI: progettate per fornire corrente massima in breve tempo.
Le VRLA includono:
AGM (Absorbent Glass Mat): con canali gassosi nell’elettrolita.
Gel: con elettrolita gelificato per ridurre evaporazione e fuoriuscite.
Chimica e Ciclo di Vita
Durante la scarica, il piombo e l’ossido di piombo reagiscono con l’acido solforico formando solfato di piombo. La ricarica inverte questi processi. Le batterie al piombo-acido hanno efficienze coulombiche dell’85% e rendimenti energetici dell’ordine del 70%. Tuttavia, sono sensibili ai cicli di scarica profonda e presentano una densità
energetica specifica relativamente bassa a causa dell’alta densità del piombo.
Vantaggi e Svantaggi
Le batterie al piombo-acido offrono numerosi vantaggi, tra cui bassi costi di produzione e alti livelli di corrente di picco, rendendole comuni in applicazioni dove la capacità (superiore a circa 10 Ah) è più importante del peso e della maneggevolezza. Tuttavia, presentano anche alcuni svantaggi, come la sensibilità ai cicli di scarica profonda e una densità energetica specifica bassa. Inoltre, il processo di ricarica è lento e necessita di un algoritmo di limitazione di corrente e tensione.
Caratteristiche Tecniche
Le batterie al piombo-acido presentano diverse caratteristiche tecniche importanti:
– Tensione di cella: La tensione comune per le batterie automobilistiche è di 12 volt (DC), composta da sei celle da 2V.
– Tensione di taglio: Il valore minimo tollerabile è generalmente di 11.6 volt.
– Capacità: La capacità coulometrica varia in base alla corrente di scarica, con una media di circa 70 Ah per le batterie automobilistiche.
– Tasso di auto-scarica: Le batterie al piombo-acido si autodischiaricano gradualmente, con un tasso stimato del 5% al mese a temperature moderate.
– Profondità di scarica (DOD): Misura la quantità di energia prelevata rispetto alla capacità totale della batteria.
Conclusione
Le batterie al piombo-acido, nonostante alcune limitazioni, rimangono una scelta popolare per molteplici applicazioni grazie alla loro affidabilità, costi contenuti e capacità di erogare elevate correnti di picco. La loro versatilità le rende essenziali in numerosi contesti industriali e automobilistici, nonostante l’emergere di tecnologie di batterie più avanzate.
