Christopher Kent Mineman - Didattica in rete

Le pile: generalità

La pila è una sorgente di corrente elettrica continua che viene ottenuta a spese dell'energia chimica della sua materia attiva . La trasformazione dell'energia chimica in energia elettrica avviene quando i due terminali positivo e negativo della pila vengono collegati fra loro dal circuito elettrico utilizzatore.

Struttura e componenti

Nella sua struttura più semplice una pila è composta da un solo elemento voltaico, formato essenzialmente da tre componenti:

  • i due elettrodi (o "poli") uno positivo, denominato "catodo", l'altro negativo, denominato "anodo"),
  • l'elettrolito.

Altri componenti delle pile sono i "collettori metallici", che convogliano corrente elettrica da e verso gli elettrodi, i "terminali" o "morsetti" degli stessi elettrodi, per la connessione al circuito esterno, i "separatori", che evitano il rischio di contatto (e conseguente cortocircuito) fra l'elettrodo positivo e quello negativo all'interno dell'elemento.

La tensione generata fra i terminali (positivo e negativo) dei due elettrodi, è dovuta alle reazioni chimiche che avvengono fra gli strati superficiali degli elettrodi e l'elettrolito.

Per ottenere una tensione maggiore di quella che potrebbe essere fornita da un solo elemento voltaico, si ricorre al collegamento in serie di più elementi. Ad esempio una comune pila alcalina di 9 V è formata da sei elementi voltaici in serie, ciascuno di 1,5 V. Le pile formate da più elementi voltaici sono chiamate talvolta anche "batterie".

Se fra i due terminali della pila viene posto un circuito utilizzatore (rappresentato nella figura da una lampadina), esso viene attraversato da una corrente elettrica continua.

In realtà la corrente non è formata da cariche elettriche positive che passano dal terminale positivo a quello negativo della pila, ma da un flusso di elettroni; questi hanno carica negativa e attraversano il circuito utilizzatore in senso opposto a quello della corrente, sotto l'azione congiunta dell'elettrodo negativo, che li "inietta" nel circuito e dell'elettrodo positivo, che li "aspira".

Il flusso degli elettroni attraverso il circuito esterno è sostenuto da un'equivalente migrazione, attraverso l'elettrolito, di ioni generati dalle reazioni chimiche che hanno luogo nella materia attiva della pila; questi ioni hanno energia chimica sufficiente per assorbire elettroni dall'elettrodo positivo e/o cedere elettroni all'elettrodo negativo, vincendo la repulsione elettrica.

La grande maggioranza delle pile attualmente in commercio è del tipo cosiddetto "a secco"; in queste pile gli elettrodi non sono immersi in una soluzione, ma in un supporto solido inerte impregnato di elettrolito liquido. (In questo modo si consente la migrazione degli ioni, senza incorrere nelle difficoltà pratiche connesse con l'uso di un elettrolito liquido).

I parametri delle pile 


I principali parametri che determinano le prestazioni di una pila sono la tensione nominale, la tensione di lavoro, la capacità, la durata di scarica, la potenza, la durata di vita in servizio, la durata di conservazione a magazzino, la resistenza interna.

La tensione nominale è la tensione specificata, presente a circuito aperto fra i due terminali di una pila. Essa dipende, oltre che dal sistema elettrochimico utilizzato anche dal numero di elementi voltaici collegati in serie.

La tensione di lavoro è la tensione media fra i due terminali della pila quando è inserito fra di essi un circuito utilizzatore.

Lacapacitàè la carica elettrica che una pila può erogare in condizioni specificate; generalmente essa viene espressa in ampere-ora (Ah). In qualche caso sono usate anche le capacità specifiche, cioè la capacità per unità di massa (Ah/g) e la capacità per unità di volume (Ah/cm3).

La durata di scarica è la durata del servizio utile di una pila in condizioni specificate e viene generalmente espressa in ore (h). Essa può essere anche espressa in wattora (Wh) o in ampere-ora (Ah), se si considera l'energia elettrica, o rispettivamente la carica elettrica, erogabili al circuito utilizzatore (o durante una scarica parziale - ad esempio la scarica giornaliera che alimenta un apparecchio radio - o durante l'intera vita utile della pila).

La potenzadi una pila (data dal prodotto della tensione fra i due terminali per l'intensità della corrente erogata) viene generalmente indicata, per semplicità, in ampere (A), invece che in watt (W). Dato che la tensione nominale (non molto diversa dalla tensione di lavoro) è sempre specificata sull'involucro della pila, il valore della corrente, in ampere o più spesso in milliampere, può dare un'idea della potenza in watt (essendo legato alla potenza da un rapporto fisso).
La resistenza elettrica interna di una pila varia durante la sua vita utile; essa inoltre diminuisce al crescere della corrente che l'attraversa. Se si considerano anche gli effetti capacitivi, si parla di impedenza interna.

La durata di conservazione a magazzino è il tempo di immagazzinamento (in condizioni specificate) dopo il quale la pila è ancora in grado di fornire le prestazioni specificate.

Alcuni tipi di pile di produzione attuale


Le pile zinco-carbone. Inventata da G.Leclanch√© nel 1868, la pila zinco-carbone è tuttora in commercio ed è largamente usata. L'elettrodo negativo è formato da una capsula di zinco al cui interno si trova un'asticciola di carbone (elettrodo positivo) immersa in una massa di carbone e biossido di manganese impregnata con una soluzione acquosa di cloruro di ammonio (elettrolito).

Per la loro economicità, le pile zinco-carbone sono preferite nelle applicazioni con basso assorbimento di corrente. Esse sono però soggette al fenomeno dell'autoscarica più delle altre pile.

Principali produttori:Duracell, Energizer, Philips, Varta ecc.

La pila zinco-cloruro. Questa pila è basata sulla stessa tecnologia della pila zinco-carbone, ma utilizza come elettrolito una soluzione acquosa di cloruro di zinco, meno aggressivo del cloruro di ammonio nei confronti dello zinco.

Principali produttori:Duracell, Energizer, Philips ecc.

Le pile alcaline. Sviluppate negli anni Sessanta dalla Mallory (ora Duracell), le pile alcaline utilizzano anch'esse zinco e biossido di manganese, come le pile zinco-carbone, ma i due elettrodi hanno struttura porosa, e l'elettrolito è un composto alcalino (idrossido di potassio). Queste modifiche hanno consentito di triplicare la durata di scarica rispetto alle pile zinco-carbone.

La produzione delle pile alcaline si avvicina oggi alla metà dell'intera produzione mondiale. In particolare il mercato annuo delle pile alcaline in Italia ha superato i 170 milioni di unità (quasi la metà di quello totale).