La resistenza interna è un parametro poco considerato ma di grande importanza che influisce enormemente sulle prestazioni della batteria, soprattutto nelle condizioni critiche degli avviamenti a freddo e in presenza d impianti elettrici complessi con accessori e sistemi elettronici sofisticati e nei nuovi veicoli “Stop-Start”.

Cristalli di solfato di piombo depositati sulle piastre

Curve caratteristiche di ricarica delle batterie al piombo-acido

La linea tratteggiata indica la corrente (A), mentre la linea continua orizzontale in alto indica la tensione (V). Nelle prime 3 ore di carica (Stage 1) la tensione aumenta fino al valore di cella carica (2.3 V circa) con una corrente di 1A costante (linea tratteggiata). Successivamente (Stage 2) la tensione si stabilizza mentre la corrente di carica diminuisce progressivamente fino alla completa ricarica della cella che avviene dopo circa 10 ore. Nell’ultima fase (Stage 3) la tensione di cella si stabilizza al valore nominale, mentre la corrente aumenta leggermente per compensare l’auto-scarica della batteria (corrente di mantenimento).

Per evitare i tempi di attesa necessari per determinare lo stato di carica mediante il voltometro e considerando l’impossibilità di utilizzare l’idrometro con le batterie di nuova generazione nel corso degli anni sono stati sviluppati nuovi metodi e strumenti di misura dello stato di carica della batteria, decisamente più versatili, completi e veloci. Il metodo EIS alla base del funzionamento di alcuni strumenti di controllo delle batterie permette di misurare contemporaneamente la capacità nominale effettiva (Ah), e il SoC (stato di carica). Dopo aver selezionato la tensione e la capacità nominale lo strumento di misura invia sulla batteria un segnale in corrente alternata a 20-2000 Hz per 15 secondi.
Il risultato viene quindi elaborato in pochissimi secondi sulla base di modelli matematici molto complessi (a matrice multipla) che forniscono un dato attendibile al 90-95% indipendentemente dalla temperatura e dai tempi di riposo dopo una carica o un utilizzo della batteria. Lo strumento inserisce anche un carico di corrente costante fino a 30A in base alla tensione e alla capacità nominale della batteria precedentemente selezionate senza tener conto dello stato di carica attuale della batteria. Nel caso in cui viene rilevato un SoC inferiore al 40% lo strumento richiede di effettuare una ricarica completa della batteria e di ripetere la prova.

L’idrometro (o densimetro) è uno strumento semplice, economico e affidabile, ma ormai poco utilizzabile per via della sempre maggiore diffusione delle batterie sigillate non ispezionabili e di quelle al Gel o AGM con elettrolito solidificato o assorbito. La densità può essere misurata al momento o dopo un ciclo di carica lenta completa. Nel primo caso la densità indicherà lo stato di carica momentaneo, mentre nel secondo darà una indicazione dello stato di efficienza e di invecchiamento della batteria.

Tensione di ricarica, corrente di ricarica e tempo di ricarica differiscono leggermente tra i diversi tipi di batteria (elettrolito liquido, Gel o AGM).

Tensione a vuoto della batteria a riposo in funzione della percentuale di carica

Stato di carica della batteria compreso tra 80% e 90% – è opportuno ricaricare la batteria a 1/10 della capacità per 1 ora per stabilizzare la carica (es.: batteria da 100 Ah, ricaricare a 10 A per 1 ora)

Sotto i 12,2 V la batteria è in stato di solfatazione, quindi necessita di 2 fasi di carica

per sciogliere i solfati; è necessario controllare la tensione 12 ore dopo la fine della

carica completa per verificare che corrisponda ai valori di batteria carica

Lo stato di carica S.o.C. è un parametro molto importante per il buon funzionamento e la durata e per la valutazione dell’efficienza di una batteria. Esistono vari metodi e strumenti per stabilire lo stato di carica di una batteria, ma per ottenere una misura attendibile è molto importante fare attenzione alle condizioni di prova (temperatura e tempo di riposo).

La batteria è inizialmente caricata chimicamente durante il processo di fabbricazione. Le piastre positive sono costituite da piombo ricoperto da biossido di piombo (PbO2), mentre quelle negative sono di piombo metallico poroso (Pb). Per via della diversa composizione chimica le due piastre costituiscono una coppia elettrolitica che genera una differenza di potenziale elettrico a contatto con la soluzione elettrolitica di acqua distillata (H2O) e acido solforico (H2SO4). La soluzione acida genera la reazione elettrochimica e assicura la conducibilità elettrica tra le piastre all’interno della cella.

Con la concentrazione standard di acido al 33%-38% la densità dell’elettrolito può variare da 1.250 gr/litro nei climi caldi a 1.300 gr/litro nei climi freddi.
Nella nostra zona temperata la densità dell’elettrolito si stabilizza intorno a 1.270 – 1.280 gr/litro. Collegando un utilizzatore R ai poli la differenza di potenziale tra gli elettrodi genera una corrente elettrica all’esterno e all’interno della cella, come si può vedere dalla figura. Il flusso di corrente esterno alla cella causa i tipici effetti della corrente elettrica: calore, luminosità, campo magnetico. Internamente la reazione elettrochimica tende a ristabilire l’equilibrio elettronico tra i due elettrodi carichi con polarità opposte, fino alla completa scarica della cella che si manifesta con la perdita di densità dell’elettrolito (1.120 gr/litro) e la solfatazione temporanea delle piastre.

Reazione anodica sull’elettrodo negativo
PbSO4 + H⁺ + 2е¯ˉ → Pb + HSO₄¯

Reazione catodica sull’elettrodo positivo
PbSO₄ + 2H₂O → PbO₂ + HSO₄¯ˉ + 3H⁺ + 2е¯

Reazione complessiva di carica
2PbSO₄ + 2H₂O → Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄

Costituiscono gli elettrodi della cella elettrolitica al piombo-acido. Il materiale di base è il piombo metallico: puro o in lega con altri elementi. Per applicazioni industriali o stazionarie dove le batterie sono sottoposte a cicli completi di carica e scarica viene utilizzato il piombo puro, mentre per applicazioni di tipo automobilistico vengono preferite alcune leghe di piombo tra cui prevalentemente il piombo-calcio. L’uso delle leghe di piombo consente di ottenere piastre sottili e ugualmente rigide che non si deformano al passaggio di correnti di forte intensità. Questa tecnologia permette di 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, facendo fronte alle condizioni critiche tipiche degli avviamenti a freddo senza dover ricorrere a batterie pesanti e voluminose. L’uso della lega di calcio introdotto qualche decennio fa ha permesso di ridurre il consumo di acqua durante i cicli di carica e scarica.

Le piastre positive sono costituite da piombo metallico ricoperto di biossido di piombo (PbO2) dal caratteristico color marrone scuro; quelle negative sono costituite da piombo metallico spugnoso (Pb) di colore grigio. Entrambe sono a griglia sottile per aumentare la superficie di scambio ionico con la soluzione elettrolitica diminuendo così la resistenza interna della cella.

Ponticelli porta-piastre

Contenitore o corpo batteria

Coperchio termosaldato

CENNI STORICI

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 e le componenti elettriche di bordo. È formata da sei celle in serie, in grado di fornire una differenza di potenziale o forza elettromotrice totale, in piena carica, di 12,73 V a circuito aperto (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.

FUNZIONAMENTO TECNICO

Questo post su Alessandro Volta era di dovere visto che grazie a lui oggi lavoriamo in questo campo, andiamo a vedere un po’ della sua storia.

Nato a Como, nell’antico palazzo situato nell’attuale via Volta,nel 18 febbraio 1745 da don Filippo e donna Maddalena dei conti Inzaghi, nel 1758 intraprende gli studi umanistici, di retorica e di filosofia presso la scuola dei gesuiti a Como.

L’invenzione della pila

In una comunicazione datata 20 marzo 1800 e indirizzata al presidente della Royal Society, sir Joseph Banks, Volta annuncia alla comunità scientifica l’invenzione della pila (o “apparato elettromotore” o “apparato a colonna”), da lui qui chiamata “organo elettrico artificiale” e paragonata all’organo elettrico del pesce Raja Torpedine. La comunicazione viene pubblicata sulle “Philosophical Transactions” con il titolo On the Electricity excited bv the mere Contact of conducting Substances of different Kinds. Dopo la vittoria a Marengo sugli austriaci (14 giugno1800), il primo console Napoleone Bonaparte riapre l’Università e reintegra i professori. Nel mese di giugno Napoleone conferma con decreto Volta professore di Fisica sperimentale nell’Università di Pavia e direttore del “Gabinetto di fisica”.

Nel 1819 Volta si ritira a vita privata, dividendosi tra Como e la casa di campagna di Camnago (successivamente Camnago Volta, in suo onore).

Il 5 marzo del 1827 Alessandro Volta muore nella sua casa di Camnago all’età di 82 anni.

ecco anche un video per approfondire.

Le fonti di questo articolo sono tratte da Wikipedia a questo link dove potete approfondire la storia di Alessandro Volta