Introduzione ai Separatori nelle Batterie
Un componente fondamentale delle batterie moderne è il separatore, una membrana permeabile situata tra l’anodo e il catodo di una batteria. Il suo ruolo principale è mantenere separati i due elettrodi, evitando cortocircuiti elettrici, pur consentendo il trasporto di portatori di carica ionici necessari per chiudere il circuito durante il passaggio di corrente in una cella elettrochimica.
Materiali dei Separatori
I separatori in celle elettrolitiche liquide commercialmente disponibili sono realizzati in materiali poliolefinici microporosi, come polietilene (PE) o polipropilene (PP). Questi materiali devono essere sia elettrochimicamente che chimicamente stabili rispetto all’elettrolita e ai materiali degli elettrodi. In particolare, nei separatori per batterie agli ioni di litio si stanno sviluppando separatori funzionali che utilizzano membrane rivestite con MOF per svolgere le funzioni duali dell’elettrolita e del separatore, supportando così il design di batterie al litio-metallo ad alte prestazioni per sistemi ad alta energia in veicoli elettrici e aeromobili elettrici.
Composizione delle Batterie
Le batterie sono costituite da un’ampia gamma di materiali che ne determinano le capacità e i comportamenti funzionali. I materiali più comuni includono piombo, nichel, zinco e litio, ciascuno con diverse uscite e specifici per diversi scopi a seconda delle esigenze. Esistono molti tipi di celle elettrochimiche con vari processi chimici e design, come celle galvaniche, celle elettrolitiche, celle a combustibile, celle a flusso e pile voltaiche.
Tipi di Batterie: Cellule Umide e Asciutte
Una batteria a cella umida contiene un elettrolita liquido, mentre una cella asciutta utilizza un elettrolita in pasta con solo abbastanza umidità per consentire il flusso di corrente. A differenza di una cella umida, una cella asciutta 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, Anodo ed Elettrolita
Il catodo, l’anodo e l’elettrolita sono componenti comuni in tutte le batterie, sebbene la loro composizione materiale possa variare. Il catodo, o elettrodo positivo, acquisisce elettroni dal circuito esterno e si riduce durante la reazione elettrochimica. Nelle batterie al litio, i materiali del catodo sono generalmente costituiti da LiCoO2 o LiMn2O4. L’anodo, o elettrodo negativo, rilascia elettroni al circuito esterno e si ossida durante la reazione elettrochimica. Un comune materiale anodico utilizzato oggi è il grafite litiatato, LixC6. L’elettrolita è un mezzo contenente ioni che sono elettricamente conduttivi attraverso il movimento di tali ioni, ma non conducono elettroni.
Collettori di Corrente
I collettori di corrente sono responsabili del trasferimento del flusso di elettroni dagli elettrodi a un circuito esterno. Vari tipi di collettori di corrente sono disponibili, tra cui reti, schiume e fogli. Per minimizzare le dimensioni complessive e migliorare la capacità volumetrica delle celle, si preferiscono fogli metallici sottili e leggeri. I collettori di corrente dovrebbero possedere un’elevata conducibilità elettrica per ridurre la resistenza della cella, nonché stabilità chimica in contatto con l’elettrolita liquido.
Conclusioni
In conclusione, il separatore svolge un ruolo cruciale nelle batterie moderne, specialmente in quelle ad alta performance come quelle utilizzate nei veicoli elettrici e aeromobili elettrici. La continua ricerca e sviluppo in questo campo promettono di portare a innovazioni significative nella tecnologia delle batterie, migliorando sia la sicurezza che l’efficienza energetica.
