Batteria piombo-acido
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Una batteria piombo-acido di un'automobile
La batteria piombo-acido (o accumulatore al piombo o accumulatore piombo-acido), inventata
nel 1859 dal fisico francese Gaston Planté, è il tipo più vecchio di batteria ricaricabile, molto usata
per automobili, moto e altri veicoli a motore per alimentare il motorino d'avviamento. È formata da
sei celle in serie per una differenza di potenziale o forza elettromotrice totale di 12,73 V a circuito
aperto e in piena carica (2,13 V per la singola cella) e di 12 V quando è in funzione (2 V per la
singola cella).
Inizialmente l'utilità dell'accumulatore non fu subito recepita, soprattutto in virtù del fatto che non
esistendo metodi di produzione non chimica dell'elettricità, l'accumulatore poteva essere ricaricato
solamente da altre pile. La cosa cambiò con l'invenzione della dinamo nel 1869.
Indice
1 Elettrochimica
2 Caratteristiche
3 Vantaggi e svantaggi
4 Note
5 Voci correlate
6 Altri progetti
Elettrochimica
La batteria contiene sei celle in serie. Nello stato di carica, ogni cella contiene un anodo di piombo
(Pb) e un catodo di diossido di piombo (PbO2) in una soluzione elettrolitica acquosa contenente
acido solforico (H2SO4) a una concentrazione 33,5% v/v, corrispondente a circa 4,5 M.
Per comprendere la chimica della batteria piombo-acido occorre considerare proprio la
dissociazione di H2SO4 (acido biprotico) in ioni HSO4− e H3O+ (prima dissociazione completa con
Ka1 >> 1) e in ioni SO42− e H3O+ (seconda dissociazione parziale con Ka2 = 1 10−2) che si verifica
nella soluzione elettrolita. L'applicazione della legge di azione di massa considerando le due
costanti Ka1 e Ka2 porta a calcolare le concentrazioni molari dei vari ioni all'equilibrio:
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[HSO4−] = 4,5 M, [H3O+] = 4,5 M; [SO42−] = 1 10−2 M
All'anodo avviene la semireazione di ossidazione:
Pb → Pb2+ + 2e−
La presenza dello ione SO42− a una concentrazione molare di 1 10−2 M fa precipitare lo ione Pb2+
che si sviluppa, essendo il solfato di piombo (PbSO4) un sale insolubile. Inoltre la presenza di
un'alta concentrazione dello ione HSO4− (4,5 M) permette allo ione SO42− di rigenerarsi dopo la
precipitazione, mantenendo una concentrazione molare costante di 1 10−2 M. Dal prodotto di
solubilità (KPS) di PbSO4 (1,8 10−8) è possibile calcolare la concentrazione molare dello ione Pb2+
durante il funzionamento della batteria:
KPS = 1,8 10−8 = [Pb2+] [SO42−]
da cui [Pb2+] = 1,8 10−6 M durante il funzionamento della batteria. L'applicazione dell'equazione di
Nernst alla coppia redox dell'anodo (Pb2+/Pb) porta a determinare il suo potenziale di riduzione (E),
equivalente a 1,700 V (E° = 1,455 V, E = 1,700 V).
Al catodo avviene la semireazione di riduzione:
PbO2 + 4H+ + 2e− → Pb2+ + 2H2O
Anche in questo caso la presenza dello ione SO42− fa precipitare lo ione Pb2+ che si sviluppa, come
abbiamo visto per l'anodo: [Pb2+] = 1,8 10−6 M durante il funzionamento della batteria.
L'applicazione dell'equazione di Nernst alla coppia redox del catodo (PbO2/Pb2+) porta a
determinare il suo potenziale di riduzione (E), equivalente a −0,30 V (E° = −0,13, E = −0,30 V).
La differenza di potenziale o forza elettromotrice tra anodo e catodo (∆E) in queste condizioni
(batteria carica ma funzionante) è quindi di 2,0 V, corrispondente a 12 V considerando tutte e sei le
celle in serie.
L'acido solforico, in quanto acido forte, permette al potenziale E° del catodo (coppia PbO2/Pb2+) di
essere superiore di 0,82 V rispetto a quello che si avrebbe in sua assenza (soluzione neutra a pH 7).
In particolare, in quanto acido solforico presente a una concentrazione 4,5 M, permette al potenziale
di elettrodo non standard (E) di essere superiore a quello standard (E°) di ulteriori 0,26 V, grazie
all'abbassamento della concentrazione molare dello ione Pb2+ a opera dello ione SO42− presente in
soluzione. Permette altresì al potenziale E dell'anodo (coppia Pb2+/Pb) di essere inferiore di 0,17 V
rispetto ad E°, sempre grazie all'abbassamento della concentrazione dello ione Pb2+. Permette infine
di tenere la concentrazione dello ione Pb2+ non solo bassa, ma anche costante, permettendo alla
batteria funzionante di avere un ∆E elevato e costante (2,0 V).
I produttori di batterie non utilizzano solo piombo per le piastre ma aggiungono altri elementi come
l'Antimonio e il Calcio, questi elementi servono a far diminuire i fenomeni negativi più comuni
nelle batterie come l'autoscarica, la vita nei cicli carica/scarica o la tendenza alla solfatazione.
Una cella si considera totalmente scarica quando ai suoi capi c'è una tensione inferiore a 1,7 V alla
temperatura di 25 °C, e totalmente carica quando la tensione raggiunge i 2,3 V.
Caratteristiche
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La tensione è la differenza di potenziale che si ha nella serie degli elementi (tipicamente 6 V e 12 V
per batterie rispettivamente a 3 o 6 elementi), la capacità si esprime come la quantità di ampere*ora
(Ah) che la batteria può fornire, la scarica è fatta in un lasso di tempo che varia tra 8 e 10 ore e
solitamente è indicata dal costruttore; una batteria da 80 Ah potrà fornire 8 A per 10 ore. Questo
limite temporale serve ad evitare valutazioni del tipo: ho una batteria da 120 Ah e la uso per 30'
facendogli fornire 240 A, oppure, con una batteria da 45 Ah alimento un carico di 10 mA per 4 500
ore ovvero per quasi 6 mesi. Considerazioni errate perché una batteria, salvo per tempi brevissimi
(qualche secondo) non deve fornire mai una corrente superiore al 10-20 % della propria capacità.
Nel frattempo, a causa dell'autoscarica, la scarica non può protrarsi per più di qualche giorno (5 o
10) poiché altrimenti l'autoscarica stessa diventa fonte importante di consumo.
La corrente di spunto in una batteria è la massima corrente di picco fornibile per un tempo
brevissimo, al massimo 5 o 10 secondi, utilizzata per avviare i motori. Questa corrente è in genere 6
o 8 volte la corrente di targa della batteria e quindi una batteria da 45 Ah potrà fornire una corrente
istantanea di 270-360 A. Una scarica prolungata a questi livelli di corrente può deformare le piastre
fino a mandarle in cortocircuito rendendo l'accumulatore completamente inutilizzabile.
Per avere una batteria efficiente e che duri nel tempo è necessario ricaricarla regolarmente con una
corrente pari a 1/10 della sua capacità massima.
Vantaggi e svantaggi
La sua capacità di fornire un'elevata potenza istantanea all'accensione la rende piuttosto potente.
Questa caratteristica, insieme al suo costo basso, la rende conveniente per l'uso nei veicoli a motore
per alimentare il motorino d'avviamento per un tempo di pochi secondi. Quando la batteria è nella
fase di scarica, si deposita solfato di piombo sulle piastre in forma cristallina, proseguendo
ulteriormente nel processo, aumenterà la quantità di solfato fino a diventare uno strato biancastro di
‘solfato bianco di piombo. Scaricandola completamente, si interrompe l’attività elettrochimica della
batteria stessa, potrà essere ricaricata solo ad un livello molto inferiore alla sua capacità nominale.
Se lasciata in queste condizioni molto tempo, il solfato impedirà la ricarica della batteria stessa
rendendola completamente inutilizzabile:quindi in caso di inattività della batteria è necessario
procedere alla sua ricarica almeno una volta al mese.
Inoltre anche scariche parziali, ma prolungate e ripetute nel tempo, senza una successiva fase di
ricarica, danno origine allo stesso fenomeno anche se più lentamente e con esiti meno evidenti.
Altra causa di guasto per una batteria è il livello troppo basso dell’elettrolita che deve sempre
coprire le piastre: questo avviene per l'evaporazione dell’acqua per riformare l’acido in seguito alla
reazione chimica in fase di ricarica. Se le piastre rimangono scoperte nella parte superiore si
ossidano a causa dell’ossigeno dell’aria, la parte inferiore invece è in un liquido molto più acido
rendendone possibile il loro sfaldamento che determina una caduta, sul fondo della batteria, di
materiale conduttivo che può arrivare a cortocircuitare l’elemento stesso della batteria rendendolo
inutilizzabile. Per il rabbocco bisogna utilizzare solo acqua distillata, non bisogna mai aggiungere
acido.
I rapporti energia/peso e energia/volume sono piuttosto bassi, svantaggio comunque superabile
considerando che i veicoli a motore hanno sufficiente spazio per alloggiarle. Nello stato di batteria
scarica i due elettrodi di Pb e PbO2 sono completamente trasformati in PbSO4 e l'elettrolita è quasi
privo dell'acido solforico in esso disciolto; teoricamente la temperatura di congelamento dell’acido
contenuto è di circa −60 C°: questo vale solo per una batteria completamente carica, con densità
dell’elettrolito maggiore di 1.260 kg/l; Nel caso la batteria sia parzialmente o, totalmente scarica la
concentrazione dell'acido solforico diminuisce e provoca l'abbassamento crioscopico dell'acqua la
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temperatura di congelamento sale rapidamente fino a −3 C° (densità dell’elettrolito inferiore a
1050).[1]
A causa delle celle aperte con liquido elettrolita in molte batterie piombo-acido, sovraccaricare il
dispositivo con una tensione elevata genera ossigeno e idrogeno dall'elettrolisi dell'acqua, una
miscela esplosiva. L'elettrolita acido è inoltre irritante e corrosivo per pelle e vestiti.
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