Pile e accumulatori

Sul modello della pila di Volta e della pila Daniell, sono state realizzate numerose varianti, diverse per specie chimiche coinvolte e disposizione degli elementi. Il tipo più diffuso è la pila a secco, messa a punto dal chimico francese Georges Leclanché nel 1866. La sua caratteristica principale è che la sostanza elettrolitica non è in forma liquida ma di gel, il che ne favorisce l’impiego in dispositivi portatili.

Un altro tipo di celle irreversibili è costituito dalle pile a combustibile; queste si differenziano dalle pile elettriche propriamente dette in quanto non contengono la sostanza elettrolitica, ma la ricevono dall’esterno con continuità.

Gli accumulatori sono celle elettrochimiche ricaricabili. Ne esistono di diversi tipi, generalmente classificati in base alla specie chimica degli elettrodi. Il più diffuso è quello al piombo, ideato nel 1859 dal fisico francese Gaston Planté. Costituito da tre o sei celle collegate in serie, eroga una tensione sufficiente a far partire un motore; è quindi largamente utilizzato per alimentare il circuito di avviamento di automobili, camion e motociclette.

L’elettrolita è costituito da una soluzione diluita di acido solforico, l’elettrodo negativo è una lastra di piombo, quello positivo una lastra di piombo ricoperta di biossido di piombo. Quando l’accumulatore viene azionato, dall’elettrodo negativo si liberano elettroni, che attraversano il circuito esterno, e ioni piombo carichi positivamente, che reagiscono con l’acido solforico producendo solfato di piombo. Quando gli elettroni rientrano nella cella, in corrispondenza dell’elettrodo positivo si sviluppa un’altra reazione chimica: il biossido di piombo reagisce con gli ioni idrogeno presenti in soluzione e con gli elettroni per formare acqua, liberando contemporaneamente ioni piombo che si combinano con gli ioni solfato presenti in soluzione per formare solfato di piombo.

L’accumulatore al piombo si scarica progressivamente con la trasformazione dell’acido solforico in acqua e degli elettrodi in solfato di piombo. Quando si ricarica la cella, avvengono reazioni chimiche opposte a quelle descritte, che riportano i componenti chimici nelle loro condizioni originarie. Un accumulatore al piombo può generare una differenza di potenziale di 2 V per cella, e in genere ha una durata di circa quattro anni; recentemente sono stati prodotti accumulatori al piombo per usi particolari, con durata fino a cinquanta anni.

La cella alcalina o pila nichel-ferro, altrettanto diffusa, fu progettata dall’inventore statunitense Thomas Edison intorno al 1900. Ha lo stesso principio di funzionamento dell’accumulatore al piombo, ma in questo caso l’elettrodo negativo è di ferro, quello positivo di ossido di nichel e l’elettrolita è una soluzione di idrossido di potassio. Utilizzata prevalentemente nell’industria pesante, ha una durata di circa dieci anni, è in grado di produrre una differenza di potenziale di circa 1,5 V, ma presenta lo svantaggio di liberare idrogeno durante il processo di ricarica.

Una cella alcalina simile a quella di Edison è la cella nichel-cadmio o pila al cadmio, in cui l’elettrodo di ferro è sostituito da uno di cadmio. Produce una differenza di potenziale di circa 1,5 V e ha durata di circa venticinque anni.

Le batterie solari producono elettricità mediante un processo di trasformazione fotoelettrica. L’elemento che produce elettricità è un semiconduttore fotosensibile, come, ad esempio, il silicio cristallino opportunamente drogato. Quando i cristalli sono colpiti da radiazioni luminose, gli elettroni degli atomi che si trovano negli strati superficiali del cristallo migrano verso la faccia opposta del cristallo cosicché, collegando le due facce esterne del semiconduttore con un circuito esterno, si ottiene una corrente elettrica. Le celle solari hanno lunga durata: ad esempio, sono un’efficiente fonte di elettricità su satelliti artificiali e navicelle spaziali.