Celle primarie e celle secondarie. Batterie al litio. Celle a idrogeno

Celle primarie e celle secondarie; Batterie al litio; Celle a idrogeno (AEM, AFC, MCFC, PAFC,PEMFC E SOFC)

Let's get into it!

Made by Ilaira galassini, Areeba Sohail, Mattia Ferrari, Jacopo Voce, Mouad Biyad

01

Celle Primarie

Indice:

Celle Primarie

Celle Secondarie

Batterie al litio

Celle a Idrogeno

• È una cella galvanica i cui reagenti sono stati introdotti nel dispositivo al momento della fabbricazione;

Che cosa sono le Celle Primarie?

• Non è ricaricabile e quando si esaurisce, si può solamente smaltire;

• Al suo interno avviene una reazione in cui viene generata corrente elettrica tramite una reazione chimica irreversibile;

• Esempio: cella a combustione però i reagenti vengono continuamente inseriti anche durante la reazione

Dove le possiamo trovare?

• Celle a secco, tra le più diffuse, insieme a quelle ad argento;
• Infatti la vediamo utilizzata in molte attrezzature come telecomandi, torce e tutti quegli attrezzi che sfruttano una pila usa e getta;
• Composta da un contenitore cilindrico che funge da anodo, mentre il catodo è costituito da una bacchetta di grafite rivestita da carta che serva da ponte salino;
• L’elettrolita è costituito da una pasta umida di cloruro di ammonio (NH4Cl) o ossido di manganese IV (MnO2). L’ammoniaca fornita dagli ioni ammonio da vita allo ione Zn(NH3)2+ insieme a ioni zinco (Zn2+), così da impedirne l’accumulo e il diminuire del potenziale

Come funzionano?

Esempio di cella primaria: Cella alcalina, che è simile a quella a secco nella composizione e nel funzionamento; differisce nella composizione, infatti impiega un elettrolita alcalino che favorisce una durata maggiore della batteria; Un ultimo esempio è quello della cella ad argento che comprende un catodo di Ag2O o Ag e un anodo sempre di zinco, ha un potenziale molto elevato e si conserva in modo affidabile per lunghi periodi, inoltre si può fabbricare in dimensioni molto piccole e per questo è molto utilizzata in prodotti come pacemaker, apparecchi acustici o macchine fotografiche

Fattori ambientali

• Le pile non vanno assolutamente buttate tra i rifiuti urbani, ma vanno riciclate a parte. le per le batterie primarie esistono punti di raccolta in tutte le città, oppure possiamo consegnarle in un negozio autorizzato alla raccolta, una terza opzione è rappresentata dall’isola ecologica, dove possiamo portare le nostre pile usate;
• Dopo la raccolta le pile vengono trattate e riciclate, vengono o frammentate o portate all’inceneritore o in discarica;
• Infine, le pile esauste sono sottoposte a processi di disassemblaggio e trattamento polo metallurgico, per separare elementi come il nichel e il cobalto e riutilizzarli in future lavorazioni/prodotti

02

Celle Secondarie

• Sono celle in cui le reazioni chimiche sono reversibili;
• Una volta che l'energia chimica si è trasformata in energia elettrica (cioè "la pila si è scaricata") è possibile invertire il processo fornendo energia elettrica, grazie alla quale si sviluppa la reazione chimica inversa, che "accumula" l'energia elettrica sotto forma di energia chimica;
• Si parla quindi in questo caso di batteria ricaricabile o accumulatore

Che cosa sono le Celle Secondarie?

Come funzionano?

• Nelle batterie ricaricabili la carica può essere completamente ristabilita mediante l'applicazione di un'adeguata energia elettrica;
• Le caratteristiche fondamentali di queste batterie sono la tensione elettrica e la capacità elettrica: quando una batteria fornisce energia elettrica ad un circuito esterno (processo di scarica), l’anodo fornisce elettroni al circuito esterno generando ioni. Questi ioni di carica positiva si distaccano dall'anodo e si spostano all'interno della batteria attraverso l'elettrolita per raggiungere il catodo, dove completano la reazione chimica, generalmente acquisendo nuovamente elettroni dal circuito esterno;
• Il processo di carica delle batterie secondarie avviene in senso opposto, dove i suddetti ioni nel catodo perdono elettroni che vengono quindi trasportati attraverso il circuito esterno;
• Il funzionamento delle batterie è stato paragonato a quello di una "sedia a dondolo" dove gli ioni si spostano da un elettrodo all'altro a seconda se il processo è di scarica o di carica.

Come funzionano?

• La batteria piombo-acido è il costituente fondamentale dei comuni accumulatori per auto;
• FASE DI SCARICA: 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) e acqua distillata (H2O);
• Per produrre energia, durante la fase di scarica, all’interno della batteria si produce una reazione chimica, nella quale l'elettrolita si combina con la materia attiva delle piastre positive e negative, trasformandola in solfato di piombo (PbSO4). Questo composto chimico è il sale di piombo dell’acido solforico. Esso si deposita sulle piastre degli elementi delle batterie durante la fase di scarica;
• Quando tutto l’elettrolito a reagito chimicamente con le piastre degli elementi, la densità risulta essere quasi quella dell’acqua, e non essendovi più possibilità di reazione chimica, si definisce la batteria scarica: è quindi necessario ricaricare la batteria di energia.
• FASE DI RICARICA: Durante la fase di ricarica , l’energia elettrica fornita, riporta le materie attive (positive e negative) alle loro condizioni originali: il solfato di piombo si ritrasforma in piombo metallico e acido solforico al polo negativo e in biossido di piombo e acido solforico al polo positivo

Fattori ambientali

• Nella vita di tutti i giorni utilizziamo solo alcuni tipi di batterie ricaricabili
• I notebook, i cellulari, i lettori musicali ecc. utilizzano più spesso batterie in formati non standard e tecnologicamente più evolute
• Tutte le automobili con motore a combustione interna ospitano una grossa batteria ricaricabile al piombo-acido, utilizzata principalmente per l'avviamento del motore e occasionalmente per l'alimentazione dell'impianto elettrico a motore spento
• Si deve considerare in modo positivo il fatto che si va sempre più diffondendo l’uso delle pile ricaricabili: esse consentono di sfruttare più a lungo i materiali impiegati per la loro produzione e quindi costituiscono un modo per rispettare l’ambiente utilizzando le risorse.

03

Batterie al Litio

• E' un particolare tipo di batteria secondaria, di conseguenza ricaricabile utilizzate in ambito industriale;
• Per l’elettronica portatile, per i veicoli elettrici ma anche in campo militare e aerospaziale, grazie anche alla sua leggerezza;
• Queste rispetto alle batterie tradizionali sono anche più piccole, più potenti e sono ricaricabili, nonostante ciò il loro consumo eccessivo può comunque danneggiarle

Che cosa sono le Batterie al Litio?

Tipologie

Esistono varie tipologie di batterie a Litio e possono essere utilizzate in diversi settori, in base alle caratteristiche funzionali e di rendita energetica, solitamente si classificano in:

• LCO , impiegate nella produzione di dispositivi elettronici mobili. Si tratta di batterie medio-piccole che però presentano numerosi limiti di sicurezza e sono spesso soggette a surriscaldamento e anche a causa della grande percentuale di cobalto che le rende molto costose;
• LMO, impiegate in piccoli dispositivi e sono in grado di fornire molta energia in breve tempo e hanno una migliore stabilità termica;
• LFP, utilizzate soprattutto nel settore industriale, in quanto sono sicure, stabili e la la loro curva di scarica piatta, garantisce le stesse prestazioni sia all’inizio che alla fine della scarica a cui si aggiunge la loro longevità (e non presenta cobalto, elemento tra i più impattanti per l’ambiente ed estremamente difficile da smaltire);

Tipologie

• NMC , utilizzate nel settore delle autovetture, e possono essere classificate in NMC 111, 622 e 811, quest’ultime sono le più recenti e nella loro evoluzione si cerca di ridurre il quantitativo di cobalto contenuto in esse, recentemente è stata annunciato un nuovo tipo di batteria la NMX, completamente priva di cobalto.
• NCA , anch'esse utilizzate in ambito automotive.
• LTO (litio titanato) di cui ancora si sente parlare poco, sono caratterizzate da un bassissimo degrado e un ampio range di sopportazione della temperatura. I due punti di debolezza sono tuttavia:

1. I bassi livelli di intensità energetica (60-70 Wh/Kg)
2. I grandi costi di acquisto

Struttura

Una cella a ioni Litio è formata da:

• Anodo: elettrodo negativo.
• Catodo: elettrodo positivo, il catodo della batteria agli ioni di litio è composto da un ossido metallico di litio che può contenere una quantità variabile di nichel, manganese e cobalto.
• Separatore: materiale solido polimerico interposto tra anodo e catodo. Previene il corto circuito interno e consente il passaggio degli ioni di litio grazie alla sua struttura porosa. (garantisce lo scambio di gas nelle celle chiuse della batteria al litio.)
• Elettrolita: consente il trasferimento degli ioni di litio tra anodo e catodo e viceversa. È costituito da un sale di litio disciolto in un solvente organico o in una loro miscela, priva di acqua.

Processo di caricamento

Quando vogliamo caricarla, colleghiamo i due poli alla nostra presa elettrica. In questo modo da produrre una reazione di ossidazione, con la quale strappiamo alcuni elettroni alle molecole presenti sul catodo e li spingiamo lungo i cavi elettrici fino al polo negativo. Qui avviene la reazione opposta, ovvero la riduzione, che permette a ciascun elettrone di raggiungere uno ione positivo, trasformandolo in un atomo neutro. Quest’ultimo si può così depositare sull’anodo stesso. Intanto, all’interno della cella, un uguale numero di ioni positivi, cui è stato strappato un elettrone, attraversa la barriera semipermeabile che separa il catodo dall’anodo accumulandosi su quest’ultimo e catturando gli elettroni che vi sono stati portati grazie al circuito elettrico esterno. In questo modo, tutte le cariche elettriche restano sempre bilanciate.

Processo di scaricamento

Quando, invece, si vuole produrre energia avviene il processo opposto ovvero: avviene una reazione di ossidazione sul polo negativo estraendo tutti gli elettroni che prima avevamo accumulato e li usiamo per produrre corrente elettrica. Questa corrente di elettroni passa attraverso il dispositivo utilizzatore, facendolo funzionare, e poi torna al polo positivo della batteria dove gli elettroni vengono accolti dagli ioni positivi che intanto sono tornati nel catodo attraverso la barriera semipermeabile per ricongiungersi ciascuno con un elettrone e tornare, grazie ad una reazione di riduzione, atomi neutri e stabili.

Fattori ambientali

Batterie al Litio-Zolfo

La Lyten, società californiana che si occupa di ricerca su nuovi materiali, ha recentemente presentato una batteria al litio zolfo che promette una densità tre volte superiore a quella di una normale batteria agli ioni di litio, pari a 900 Wh/kg, che sono inoltre più sicure. Lo Zolfo, insieme al “Lyten 3D Grafene”, un materiale tridimensionale perfezionato dalla società,hanno permesso infatti di mantenere prestazioni elevate e di impedire un rapido decadimento della batteria. I vantaggi sono molteplici in quanto:

• Porterà le auto elettriche a costare meno
• Avrà funzionamento garantito in un range di temperature comprese tra -30 e 60 gradi
• Sarà flessibile e scalabile, in modo da adattarsi a diversi tipi di auto e a diversi utilizzi
• Le celle potranno essere realizzate in formato cilindrico, prismatico o pouch (a busta)
• Avrà tempi di ricarica più rapidi delle batterie agli ioni di litio, anche inferiori a 20 minuti
• Farà quasi del tutto a meno di terre rare

04

Celle a Idrogeno

• E' un dispositivo elettrochimico in grado di convertire direttamente energia chimica in energia elettrica tramite un processo a temperatura costante in cui l’idrogeno viene combinato con l’ossigeno per formare acqua, e liberando calore;
• Il funzionamento di una cella a combustibile è quindi basato sulla combustione dell’idrogeno gassoso con l’ossigeno secondo la seguente reazione di ossidoriduzione:H2 (g) + ½ O2(g) → H2O (l);
• Visto che una singola cella produce normalmente una modesta tensione di circa 0,7 V, di solito più celle vengono disposte in serie, ovvero vengono impilate, i quali a loro volta vengono assemblati in moduli per ottenere generatori della potenza necessaria

Che cosa sono le Celle a Idrogeno?

Come funzionano?

Il combustibile, l’idrogeno gassoso, viene fornito all’anodo, dove si ossida a ione H+, cedendo i suoi elettroni. Gli elettroni scorrono lungo il circuito esterno producendo lavoro elettrico, per poi giungere al catodo, al quale è stato fornito il comburente, l’ossigeno gassoso, che si riduce a ione OH-. Il circuito è chiuso dal trasporto di ioni da un elettrodo all’altro attraverso l’elettrolita. A seconda della natura dell’elettrolita utilizzato, variano le reazioni che avvengono ai singoli elettrodi:

• elettrolita acido = il circuito è chiuso e la reazione prosegue grazie al trasporto di protoni dall’anodo al catodo
• (anodo: H2 → 2H+ + 2e-)(catodo: ½ O2 + 2H+ + 2e- → H20)
• elettrolita basico = il circuito è chiuso e la reazione prosegue grazie al trasporto di ioni ossidrile dal catodo all’anodo (anodo: H2 + 2OH- → 2H2O + 2e-)(catodo: ½ O2 + 2H2O + 2e- → 2OH-)
• In entrambi i casi si osserva che la reazione complessiva è la stessa: H2 + ½ O2 → H2O

Come funzionano?

Il combustibile, l’idrogeno gassoso, viene fornito all’anodo, dove si ossida a ione H+, cedendo i suoi elettroni. Gli elettroni scorrono lungo il circuito esterno producendo lavoro elettrico, per poi giungere al catodo, al quale è stato fornito il comburente, l’ossigeno gassoso, che si riduce a ione OH-. Il circuito è chiuso dal trasporto di ioni da un elettrodo all’altro attraverso l’elettrolita. A seconda della natura dell’elettrolita utilizzato, variano le reazioni che avvengono ai singoli elettrodi:

• elettrolita acido = il circuito è chiuso e la reazione prosegue grazie al trasporto di protoni dall’anodo al catodo
• (anodo: H2 → 2H+ + 2e-)(catodo: ½ O2 + 2H+ + 2e- → H20)
• elettrolita basico = il circuito è chiuso e la reazione prosegue grazie al trasporto di ioni ossidrile dal catodo all’anodo (anodo: H2 + 2OH- → 2H2O + 2e-)(catodo: ½ O2 + 2H2O + 2e- → 2OH-)
• In entrambi i casi si osserva che la reazione complessiva è la stessa: H2 + ½ O2 → H2O

Informazioni aggiuntive:

• SOMIGLIANZE CON LE CELLE GALVANICHE: Entrambe sono in grado di convertire l’energia chimica in energia elettrica tramite reazioni redox. La principale differenza è che la batteria è un sistema chiuso, mentre la cella a combustibile opera su reagenti gassosi continuamente riforniti dall’esterno;
• CATALIZZATORI: In base alla scelta del substrato che costituisce l’elettrodo è possibile accelerare e favorire le reazioni di ossidazione e riduzione, in quanto il substrato agisce da catalizzatore solido. I catalizzatori più efficaci per il processo di ossidazione dell’idrogeno sono i metalli nobili come il platino, il palladio o il rutenio, mentre per la riduzione dell’ossigeno, oltre al platino e al palladio, possono essere usati, ad alte temperature, il nichel e i suoi ossidi. Spesso, a causa degli elevati costi dei catalizzatori, se ne disperde un finissimo strato su un supporto, generalmente carbone poroso (che permette anche la distribuzione del gas reagente in tutto l’elettrodo).

• VANTAGGI: - Alta efficienza: permette di ottenere una quantità di energia maggiore rispetto ai metodi tradizionali grazie alla conversione diretta di combustibile in energia elettrica.- Durata: non necessita di essere ricaricata come una normale batteria e può funzionare in modo continuo fin quando sono forniti i reagenti.- Riduzione emissioni: non prevede l’emissione di inquinanti come anidride carbonica o ossidi di azoto, avendo come unico prodotto l’acqua- Basse temperature: le celle a combustibile, a seconda del tipo, lavorano a temperature comprese tra gli 80°C e i 1000°C- Produzione calore, che può essere sfruttato come ulteriore fonte energetica per riscaldare ambienti o acqua;
• DIFFICOLTÀ USO IDROGENO: In quanto l’idrogeno gassoso non si trova in natura è necessario produrlo tramite processi come il cracking di combustibili organici (gas naturale, metanolo e idrocarburi) o l’elettrolisi dell’acqua, che permette di ottenere H2 puro, ma richiede energia elettrica.

Le celle a idrogeno si suddividono in:

AEM

SOFC

AFC

PEMFC

MCFC

PAFC

Pile a scambio anionico (AEM)

La Enapter produce generatori di idrogeno efficienti sull’elettrolisi con membrane a scambio anionico. Questi generatori sono appunto detti AEM, cioè Anion Exchange Membrane. Con tale tecnologia si ottengono parecchi vantaggi:

1. non servono gli speciali diaframmi di norma impiegati dall’elettrolisi alcalina;
2. non servono nemmeno metalli del gruppo del platino e terre rare, che sono elementi necessari all’elettrolisi con membrana a scambio protonico (PEM).

Tutto ciò comporta che l’AEM ha costi ridotti e dimostra efficienza e flessibilità. COS'É UNA MEMBRANA A SCAMBIO IONICO? Le membrane a scambio ionico sono membrane che possiedono gruppi di carica positiva o negativa all'interno della matrice di cui sono costituite:

• Le membrane a scambio anionico, che permettono il passaggio di anioni, contengono gruppi di cariche positive;
• Le membrane a scambio cationico, che permettono il passaggio di cationi, contengono gruppi di cariche negative. Per questa loro caratteristica vengono spesso utilizzate come elettrolita nelle celle a combustibile.

Pile a scambio alcalino (AFC)

STRUTTURA: É una cella a combustibile in cui i due elettrodi sono separati da una matrice porosa satura di una soluzione acquosa alcalina, solitamente l’idrossido di sodio (KOH), che si comporta da elettrolita basico e consente il trasporto di ioni che garantisce l’andare avanti della reazione e la continuità del flusso di corrente elettrica. Reazioni che avvengono ai due elettrodi: (anodo: 2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-)(catodo: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-) La reazione totale netta consuma 1 molecola di O2 e due di idrogeno H2 producendo 2 molecole di acqua H2O, generando elettricità e calore. UTILIZZO: Le AFC sono le celle a combustibile più economiche da produrre, lavorano a basse temperature (tra i 60°C e i 120°C), hanno un potenziale elevato e una lunga durata: per questo vengono molto utilizzate soprattutto per applicazioni militari e spaziali. Uno dei problemi principali è l’intolleranza degli elettroliti basici verso le impurezze acide come la CO2, che in un sistema alcalino tende a formare carbonati che, precipitando, occludono i pori del substrato degli elettrodi, bloccando le reazioni di ossido riduzione. Per questo motivo il corretto funzionamento di una cella alcalina richiede l’uso di gas reagenti (idrogeno e ossigeno) a elevata purezza.

Pila a combustibile all'acido solforico (PAFC)

STRUTTURA:In una PAFC gli elettrodi sono costituiti da un supporto di carbone poroso in cui sono disperse particelle di platino Pt come catalizzatore, tenute insieme da un legante a base di PTFE (politetrafluoroetilene). Gli elettrodi sono in contatto tramite un elettrolita acido che consiste in una soluzione di acido fosforico fortemente concentrata e immobilizzata in uno strato poroso di carburo di silicio. UTILIZZO:Le celle PAFC lavorano a temperature intorno ai 200°C, quindi l’acqua viene prodotta come vapore acqueo. Questo determina alcuni vantaggi, come il funzionamento con aria a pressione atmosferica e un’alta tolleranza alle impurezze. Non è quindi necessario utilizzare idrogeno puro, ma possono essere impiegati combustibili costituiti da miscele di gas naturali ottenute da processi di reforming del metano in corrente di vapore, secondo la seguente reazione:CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2Inoltre le celle ad acido fosforico garantiscono un’elevata efficienza di energia e per questo sono state scelte per lo sviluppo di impianti a elevata potenza per applicazioni stazionarie, come gli impianti di produzione di energia elettrica in case private, in edifici pubblici o su grandi mezzi di trasporto.

Cella a combustibile ai carbonati fusi (MCFC)

Nella cella MCFC, attraverso l’elettrolita basico che separa i due elettrodi, avviene il passaggio di ioni carbonato CO3 2- dal catodo all’anodo per chiudere il circuito elettrico e garantire lìandare avanti della reazione. Le reazioni che avvengono sono le seguenti:anodo: H2 + CO32−→H2O + CO2 + 2e−catodo: ½ O2 + CO2 + 2e− → CO32−totale: H2 + ½ O2 → H2O. L’elettrolita è costituito da una miscela fusa di Li2CO3 - K2CO3 supportata da una matrice ceramica. Gli elettrodi utilizzano come catalizzatore disperso sulla superficie il nichel e l’idrogeno gassoso deriva dalla gassificazione del carbone.UTILIZZO:Essendo l’elettrolita costituito da una miscela fusa, la cella agisce ad alte temperature, intorno ai 650°C e può sfruttare l’acqua prodotta sotto forma di vapore acqueo per azionare turbine al fine di produrre ulteriore corrente elettrica. A causa dell’ambiente fortemente corrosivo e delle temperature raggiunte nella cella, ci sono seri problemi dovuti al deterioramento dei materiali utilizzati che ne limitano la durata di impiego e necessitano l’utilizzo di materiali speciali che hanno un costo elevato.

Pila a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC)

• Pila a combustibile con membrana a scambio protonico
• Pila in fase di sviluppo per applicazioni in campo trasporti, in quanto leggere e poco ingombranti
• Possono funzionare a basse temperature (50°-100°) e pressioni (0,3 Pa), grazie all'uso di una speciale membrana polimerica (responsabile per la conduzione di protoni, separazione del gas prodotto, isolamento elettrico degli elettrodi)
• Trasformano energia elettrica in energia chimica (liberata grazie alla reazione elettrochimica tra idrogeno e ossigeno) processo differente dalla combustione diretta tra ossigeno e idrogeno che produce energia termica
• Le reazioni che avvengono sono le seguenti: (anodo: H2 → 2H+ 2e−) (catodo: ½O2 + 2H+ 2e− → H2O) (totale: H2 + ½O2 → H2O)
• Utilizzo di catalizzatori come il Platino per far reagire idrogeno e ossigeno gassosi;
• Presenza di una membrana protonica semipermeabile -> permeabile solo ai protoni e non ai gas in quanto provocherebbe un corto circuito;
• Il materiale usato per le membane è il NAFLON (ionomero a base perforata come il TEFLON);
• Alternative alle pile PEMFC sono le DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), poco efficienti e usano il metanolo e altri biocombustibili

Pile ad ossido solido (SOFC)

• Dispositivi elettrochimici che producono energia elettrica direttamente dal combustibile;
• Elettrolita a ossido solido, come la zirconia drogata con ossido d'ittirio, un materiale ceramico;
• operano a temperatire più elevate delle PEMFC;
• Usate per applicazioni stazionarie e attravaerso i gas residui si possono alimentare turbine a gas, aumentandone l'efficienza energetica (fino al 90%);
• Catalizzatore costoso che però porta all'assenza di avvelenamento catalitico dovuto a CO;
• Usano combustibili come CH3OH, CH3CH2CH3, C4H10, gas di fermentazione, gas di biomassa;
• Pila composta da quattro strati, di cui 3 in materiale ceramico, connesse in serie;
• All'anodo la pila deve essere porosa (materiale comunemente usato è il cermet, fatto di nichel su base ceramica). Permette gli ioni di ossigeno di ossidare l'idrogeno contenuto nel combustibile. Viene prodotta H2O;
• Al catodo avviene la riduzione dell'ossigeno. Composto da materiale conducente come lo stronzio o il manganite (compatibilità con la zirconia). Lavora a temperature molto elevate (circa sotto gli 800°C)
• Usato da case automobilstiche come BMW su auto elettriche e ibride.