Struttura delle batterie
Abbiamo visto in un’altra pagina (dove? leggi “Funzionamento delle batterie”) che il funzionamento di principio di una batteria dipende da un paio di semplici reazioni elettro-chimiche tra una piastra di piombo e una di biossido di piombo), separate da un isolante e immerse in una soluzione composta da acido solforico e acqua distillata (cella o elemento). Questa fornisce una tensione di circa 2 Volt.
La batteria più comune comprende 6 celle collegate in serie per un totale di 12 Volt.
Siccome le reazioni avvengono sulla superficie del piombo (o dell’ossido), è necessario aumentarla al massimo. Ciascuna piastra è composta da una griglia di piombo puro o in lega con altri elementi.
Per applicazioni dove le batterie sono sottoposte a cicli completi di carica e scarica viene utilizzato il piombo puro, mentre per UPS o altri usi si usano leghe di piombo.
La lega di piombo ha maggiore rigidità e permette di creare piastre sottili che però non si deformano al passaggio di forti correnti. Si può così aumentare il numero di piastre per elemento e quindi la superficie di scambio ionico, cioè la conducibilità elettrica, a parità di quantità di piombo impiegato.
Storicamente, le leghe usuali erano basate su piombo-antimonio (0,75-5% antimonio) che hanno buone proprietà meccaniche e resistenza alla corrosione. Un particolare vantaggio dell'antimonio è quello di provvedere ad una forte adesione tra la piastra e la griglia.
Per le più moderne batterie sigillate senza manutenzione usano leghe di piombo-calcio-stagno (fino a 0,3% di calcio e fino a 0,5% di stagno). Il calcio permette di ridurre lo sviluppo di gas durante i cicli di carica e scarica., mentre lo stagno è aggiunto per migliorare la resistenza a corrosione.
Minori aggiunte di elementi come rame, stagno, arsenico e selenio possono essere fatte per migliorare il raffinamento dei grani, la facilità di colata e impartire caratteristiche di indurimento per invecchiamento.
Un’aggiunta dello 0,15-0,2% di alluminio previene ossidazione del calcio durante la fusione.
Costruzioni ibride impieganti piombo-antimonio per le griglie positive e piombo-calcio-stagno per quelle negative sono usate in diverse batterie.
Alter leghe usate per griglie di batterie includono piombo-stronzio che hanno proprietà simili al piombo-calcio, e piombo-antimonio-cadmio.
Dal momento che le reazioni elettrochimiche avvengono sulla superficie del materiale, è necessario che questa sia la massima possibile.
Le piastre devono essere sottili (compatibilmente con la robustezza) ma soprattutto il materiale viene polverizzato in granuli di forma irregolare. La polvere è poi compressa ad alta temperatura (sinterizzazione). Le irregolarità del materiale (le “punte” dei granuli) si saldano insieme, lasciando però molto spazio vuoto. Si ottiene una specie di micro-spugna. La polvere è compressa su delle griglie di supporto, anch’esse di lega di piombo.
Naturalmente, la sottigliezza implica una maggiore deformabilità in seguito all’aumento di volume prodotto dalla solfatazione del piombo, per cui batterie destinate ad essere scaricate a fondo sono costruite con piastre più spesse (e quindi con minore capacità in relazione al peso): Le batterie di migliore qualità sono costruite in maniera tale da impedire deformazioni significative delle piastre.
Griglie ricoperte
Si riuniscono così le piastre in una serie, alternativamente di piombo e di biossido di piombo e si inter mischiano le piastre (come un mazzo di carte da gioco).
Blocchi piastre + e –
Le piastre sono isolate tra loro da dei separatori. La scelta del materiale è molto importante perché i separatori ostacolano il flusso di ioni (cariche elettriche) tra le piastre: si usano PVC, polietilene, gomma porosa. La soluzione più comune è quella di racchiudere le piastre positive all’interno di buste di polietilene forate Tutte le piastre di piombo sono connesse tra di loro (in parallelo) e così le piastre di ossido.
Batterie: separatori
Uno di questi blocchi completi prende il nome di cella, e fornisce circa 2,2 V.
Montaggio di due blocchi di piastre
Unendo in un unico contenitore 6 celle si ottiene una batteria da 12 V nominali.
Blocchi montati
Batteria da 6 celle (12V)
