1. Le pile oggi Gli accumulatori: generalità

Un accumulatore è un elemento voltaico di struttura analoga a quella di una pila e, come tutti gli altri generatori elettrochimici, è in grado di erogare parte dell'energia chimica della sua materia attiva sotto forma di una corrente elettrica continua che circola nel circuito utilizzatore.

Ma, a differenza delle pile ordinarie, che non sono ricaricabili, l'accumulatore, una volta che si è scaricato più o meno completamente, è in grado di immagazzinare di nuovo - per la sua particolare struttura e per la composizione degli elettrodi e dell'elettrolito - l'energia chimica necessaria per una nuova scarica. La ricarica dell'accumulatore si ottiene mediante il suo collegamento con un opportuno generatore di corrente continua,.

 Struttura e componenti
Nella sua forma più semplice, un accumulatore comprende essenzialmente due elettrodi, uno positivo e l'altro negativo (ciascuno formato da una o più "piastre" connesse in parallelo) e un elettrolito.

Oltre ai due elettrodi - che contengono la materia attiva, in un accumulatore sono presenti altri componenti: i "collettori di corrente", che convogliano corrente elettrica da e verso gli elettrodi, e i separatori, che evitano che i due elettrodi, positivo e negativo, entrino in contatto elettronico fra loro all'interno dell'elemento voltaico, provocando un cortocircuito.

Un accumulatore può consistere in un solo elemento, ma , di solito, è formato da più elementi collegati fra loro in serie, e in questo secondo caso è chiamato "batteria". La tensione fra i morsetti di una batteria è quindi determinata, oltre che dal sistema elettrochimico utilizzato, dal numero degli elementi collegati in serie; ad esempio, una comune batteria al piombo per autovettura da 12 V è formata da 6 elementi al piombo, in serie fra loro, ciascuno da 2 V.

Più in generale, dato che gli apparecchi da alimentare funzionano a diverse tensioni e richiedono differenti livelli di potenza, il dimensionamento di un accumulatore, in tensione e potenza erogata, viene determinato scegliendo sia il sistema elettrochimico da adottare, sia il numero di elementi.

In linea di principio, la capacità di un accumulatore di erogare energia elettrica non dovrebbe essere influenzata dal numero di cicli di carica e scarica sostenuti. In pratica invece, ad ogni ciclo di carica e scarica si verificano cambiamenti nella struttura e nel volume degli elettrodi, che riducono gradualmente le prestazioni dell'accumulatore. Per questo motivo, nel progetto di ogni accumulatore si deve tenere conto, in qualche modo, di questo effetto, cercando di compensarlo per quanto possibile.

Principali parametri degli accumulatori
Per valutare le prestazioni di un accumulatore, ne vanno considerati vari parametri: la tensione nominale, la capacità, l'energia, la potenza, la durata di vita e il rendimento. Altri parametri da tenere presenti sono: la tensione di lavoro e la tensione finale della scarica.

La tensione nominale può essere riferita a ciascun elemento dell'accumulatore o all'intera batteria, se questa è composta da più elementi collegati in serie.

La capacità è la quantità di carica elettrica - generalmente espressa in amperora (Ah) - che l'accumulatore può mettere in circolazione nel circuito elettrico utilizzatore, durante la sua scarica (in condizioni che vanno sempre specificate); essa dipende dalla massa delle materie attive. La capacità specifica indica la capacità dell'accumulatore per unità di massa (ad esempio Ah/kg) o per unità di volume (ad esempio Ah/dm³).

L'energia, che l'accumulatore è in grado di erogare, è data dalla capacità moltiplicata per la tensione media di scarica ed è espressa generalmente in wattora (Wh). L'energia specifica indica l'energia che può essere erogata dall'accumulatore per unità di massa (Wh/kg) o per unità di volume (Wh/dm³).

La potenza erogabile dall'accumulatore è data dalla tensione media di scarica moltiplicata per la corrente ed è espressa in watt (W). Corrispondentemente la potenza specifica per unità di massa è espressa in watt/chilogrammo (W/kg) e la potenza specifica per unità di volume in watt/decimetro cubo (W/dm³).

Per il rendimento si considerano:

• il rendimento amperometrico (rapporto fra il numero di amperora che attraversano l'accumulatore durante la scarica e durante la precedente carica);
• il rendimento di energia (rapporto tra l'energia erogata durante la scarica e quella assorbita durante la precedente carica).

La durata di vita dipende sostanzialmente dalle condizioni di applicazione del dell'accumulatore e quindi può essere assegnata solo per determinati regimi di carica e scarica che vanno specificati. In particolare, quando l'accumulatore è soggetto a successivi cicli di carica e scarica, si considera la durata di vita ai cicli che indica l'attitudine di un accumulatore a resistere a successivi cicli di carica e scarica; in questo caso la durata di vita è indicata generalmente con il numero di cicli di carica e scarica che danno luogo ad un abbassamento della capacità di un accumulatore ad una percentuale prefissata (generalmente l' 80%) del valore originario.

La tensione di lavoro è la tensione media presente fra i i due terminali positivo e negativo quando l'accumulatore eroga corrente.

La tensione finale della scarica è la tensione di lavoro alla quale, per ragioni tecniche e/o economiche, conviene arrestare la scarica.

Classificazione degli accumulatori in base al sistema elettrochimico utilizzato
Secondo il sistema elettrochimico utilizzato, si distinguono diversi tipi di accumulatori. I sistemi industrializzati sono:

• gli accumulatori al piombo
• gli accumulatori alcalini (cadmio-nichel o nichel-idruri metallici)
• gli accumulatori al litio

Classificazione degli accumulatori in base al tipo di applicazione
Per quanto riguarda le applicazioni, gli accumulatori si possono distinguere in accumulatori stazionari, per trazione, per avviamento, portatili.

Accumulatori per impianti fissi (stazionari)
Sono quegli accumulatori (al piombo o al nichel-cadmio) per impianti fissi, o anche per natanti, che vengono installati per alimentazione di emergenza (illuminazione o altri servizi) presso centrali elettriche, centrali telefoniche, ospedali ecc.

Essi sono previsti per una lunga vita di servizio (oltre una diecina di anni) e il loro requisito principale è l'affidabilità; di conseguenza devono essere installati in modo da essere facilmente sorvegliabili.

In particolare, per gli accumulatori al piombo devono essere osservate le regole che riguardano:

• i locali destinati a contenere le batterie di accumulatori (in particolare la loro aereazione e illuminazione),
• gli avvertimenti al personale,
• il montaggio degli elementi, la cura degli isolamenti e lo stato delle condutture elettriche.

Per gli accumulatori cadmio-nichel di tipo aperto, la norma di esercizio più importante e gravosa è invece rappresentata dal controllo dell'elettrolito che deve essere totalmente sostituito quando il quantitativo di carbonato di potassio (prodotto nell'elettrolito per effetto dell'anidride carbonica dell'atmosfera) supera determinati limiti.

Si stanno attualmente diffondendo anche le applicazioni stazionarie degli accumulatori al piombo regolati con valvola (commercialmente detti "sigillati"), che hanno il vantaggio di non richiedere manutenzione.

Oltre che alla legislazione antinfortunistica italiana (D.P.R. del 27/4/1955, n. 547) si rinvia alle seguenti Norme Europee:

• CEI EN 60896-1. Batterie di accumulatori stazionari al piombo. Prescrizioni generali e metodi di prova. Parte 1: Batterie del tipo aperto
• CEI EN 60896-2. Batterie di accumulatori stazionari al piombo. Prescrizioni generali e metodi di prova. Parte 2: Batterie del tipo regolato a valvole (denominazione commerciale: accumulatori al piombo "sigillati")
• CEI EN 60952-1. Batterie di aeromobili. Parte 1: Prescrizioni generali di prova e livelli di prestazione
• CEI EN 60952-2. Prescrizioni di progetto e di costruzione
• CEI EN 60285. Accumulatori al nichel-cadmio: elementi singoli cilindrici ricaricabili stagni

Accumulatori per trazione
Sono destinati a fornire energia per la trazione di veicoli a motore elettrico (spesso all'interno di stabilimenti, cantieri, parchi ferroviari ecc.) o per la propulsione di natanti. Spesso in questi accumulatori la materia attiva è contenuta in tubi di materiale permeabile all'elettrolito, riuniti in telaio.

I loro requisiti principali sono:

• una lunga durata di scarica
• una buona resistenza alle sollecitazioni meccaniche

I dati di targa devono riportare: tensione nominale e capacità alla scarica in 5 h.

L'applicazione principale degli accumulatori per trazione riguarda attualmente i carrelli elevatori, mentre nell'ambito della ricerca, la massima attenzione continua ad essere focalizzata sulle batterie per autovetture elettriche che richiedono il raggiungimento di energie specifiche notevolmente più elevate di quelle utilizzabili nelle applicazioni di trazione elettrica usuali.

Agli accumulatori per trazione fanno riferimento le seguenti Norme Europee:

• CEI EN 60254-1. Batterie al piombo per trazione. Parte 1: Prescrizioni generali e metodi di prova
• CEI EN 60254-2. Batterie al piombo per trazione. Parte 2: Dimensioni degli elementi e dei morsetti e marcatura della polarità sugli elementi
• CEI EN 61044. Carica estemporanea delle batterie al piombo per trazione

Accumulatori per avviamento
Trovano impiego negli autoveicoli per un complesso di funzioni: avviamento e accensione dei motori a combustione interna, illuminazione, servizi ausiliari.

Per applicazioni di questo tipo le batterie di accumulatori devono poter erogare forti intensità di corrente per brevi periodi di tempo senza che la tensione ai morsetti scenda sotto i limiti prescritti. In particolare sono critiche le condizioni di lavoro che si incontrano a basse temperature: infatti, se diminuisce la temperatura, diminuisce anche la potenza erogabile da parte della batteria e nello stesso tempo aumenta la potenza necessaria per avviare il motore.

 

Un'autovettura necessita, durante l'avviamento, di una corrente con picchi di un centinaio di ampere, mentre un autoveicolo industriale può arrivare a richiedere un migliaio di ampere. A differenza di quanto avveniva nel passato, le batterie attuali non richiedono rabbocchi di acqua distillata durante il normale esercizio del veicolo eliminando sostanzialmente le operazioni di manutenzione.

I dati di targa devono riportare: tensione nominale, capacità (scarica in 20 h) e corrente di avviamento a -18 °C.

Agli accumulatori per avviamento sono dedicate le seguenti Norme Europee:

• CEI EN 60095 - 1. Batterie di accumulatori al piombo per avviamento. Parte 1: Prescrizioni generali e metodi di prova
• CEI EN 60095 - 1/A2/A11. Batterie di accumulatori al piombo per avviamento. Variante (Batterie di accumulatori al piombo per avviamento. Parte 1: Prescrizioni generali e metodi di prova)
• CEI EN 60095 - 1/A13. Variante (Batterie di accumulatori al piombo per avviamento. Parte 1 - Prescrizioni generali e metodi di prova)
• CEI EN 60095 - 2. Batterie di accumulatori al piombo per avviamento. Parte 2: Dimensioni delle batterie e dimensioni e marcatura dei terminali
• CEI EN 60095 - 2/A11. Variante (Batterie di accumulatori al piombo per avviamento. Parte 2: Dimensioni delle batterie e dimensioni e marcatura dei terminali)
• CEI EN 60095 - 4. Batterie di accumulatori al piombo per avviamento. Parte 4:  Dimensioni delle batterie per veicoli commerciali pesanti
• CEI EN 60095 - 4/A11. Variante (Batterie di accumulatori al piombo per avviamento. Parte 4:  Dimensioni delle batterie per veicoli commerciali pesanti)

Accumulatori portatili
Sono caratterizzati da un'elevata compattezza e da una buona resistenza a urti e vibrazioni . Un altro requisito indispensabile è l'ermeticità per impedire la fuoriuscita dell'elettrolito e la corrosione di componenti dell'apparecchio in cui l'accumulatore è incorporato.

Per queste applicazioni possono essere usati:

• accumulatori al piombo "sigillati". Non hanno vincoli di posizione e non richiedono manutenzione; sono disponibili in batterie da 6 V o da 12 V, con capacità fino a 20 Ah e durate in cicli pari a circa 200. Le energie specifiche sono comprese da 18 a 22 Wh/kg e da 50/60 Wh/dm³.
• accumulatori ermetici cadmio-nichel. Sono disponibili per l'alimentazione degli apparecchi elettronici e delle lampade portatili, con capacità inferiori a 5 Ah; elementi al cadmio-nichel di varia forma (rettangolari, cilindrici, a bottone) sono largamente impiegati per l'alimentazione di telefoni cellulari, utensili e macchine fotografiche, e predominano nelle applicazioni combinate spina-batteria (rasoi elettrici, registratori, telecamere, radioricevitori ecc.). Per l'uso di questi accumulatori è necessario seguire rigorosamente le indicazioni fornite dai produttori e, a causa della tossicità del cadmio, vanno osservate tutte le norme previste per il loro smaltimento.
• accumulatori nichel-idruri metallici. In luogo del cadmio sono utilizzate per l'anodo delle leghe metalliche che fissano idrogeno nel reticolo cristallino, sotto forma di idruri; il catodo è in ossido di nichel, l'elettrolito è una soluzione acquosa di idrossido di potassio. La capacità è più elevata di quella degli accumulatori al cadmio: dopo 600 cicli di carica/scarica, gli accumulatori NiMH dovrebbero presentare una capacità residua pari all'80%di quella originaria. Gli svantaggi rispetto agli accumulatori al cadmio sono rappresentati da una minore potenza specifica e da un più marcato processo di autoscarica.
• accumulatori al litio. Sfruttano, come le pile al litio, l'alto potenziale elettrochimico del litio e il suo basso peso specifico. Per superare le difficoltà dovute al litio metallico, viene usato, per il catodo, un suo composto in grado di assorbire o rilasciare ioni litio. La tensione presente ai morsetti di questi accumulatori è di oltre 3 V, è cioè più che doppia di quella delle pile alcaline. Altri vantaggi consistono in un'elevata energia specifica (di massa e di volume) e in una lunga durata in cicli. Infine, con gli accumulatori al litio non si corre il rischio di contaminare l'ambiente (a differenza di quanto avviene con gli accumulatori al cadmio).

Per i tipi più diffusi di accumulatori portatili sono state elaborate le seguenti norme:  

• CEI EN 61056 -1. Elementi e batterie portatili al piombo (tipi regolati con valvola). Parte 1: Prescrizioni generali e caratteristiche funzionali - Metodi di prova.
• CEI EN 61056 - 2. Elementi e batterie portatili al piombo (tipi regolati con valvola). Parte 2: Dimensioni, terminali e marcature
• CEI EN 60285. Accumulatori al nichel-cadmio: elementi singoli cilindrici ricaricabili stagni
• CEI EN 61440. Accumulatori con elettrolito alcalino o altro elettrolito non acido. Piccoli elementi singoli prismatici ricaricabili stagni al nichel-cadmio
• CEI EN 60622. Elementi singoli prismatici ricaricabili stagni al nichel-cadmio
• CEI EN 60623. Elementi ricaricabili prismatici al nichel-cadmio di tipo aperto
• CEI EN 61150. Accumulatori e batterie alcalini. Batterie monoblocco di elementi a bottone ricaricabili sigillate al nichel-cadmio
• CEI EN 61436. Accumulatori contenenti elettroliti alcalini o altri non acidi. Elementi singoli ricaricabili stagni al nichel-idruri metallici
• CEI EN 61440. Accumulatori con elettrolito alcalino o altro elettrolito non acido. Piccoli elementi singoli prismatici ricaricabili stagni al nichel-cadmio

  CEI EN 61809. Accumulatori contenenti elettroliti alcalini o altri non acidi. Prescrizioni di sicurezza per accumulatori portatili stagni

  CEI EN 61951-1. Accumulatori contenenti elettroliti alcalini o altri non acidi. Elementi singoli ricaricabili stagni portatili. Parte 1: Nichel-cadmio

  CEI EN 61951-2. Accumulatori contenenti elettroliti alcalini o altri non acidi - Elementi singoli ricaricabili portatili stagni
  Parte 2: Nichel idruri metallici

   

Diffusione commerciale

Nelle immagini di questa pagina si è cercato di dare una prima idea della grande varietà di accumulatori. Si rinvia alla tabella "Applicazioni degli accumulatori" per una serie di applicazioni tipiche, mentre nella tabella che segue viene data qualche informazione sulla diffusione commerciale degli accumulatori in Italia, in un'importante area specifica di applicazione, quella dei mezzi di trasporto.

Vendita di accumulatori per applicazioni su mezzi di trasport
(dati riferiti al 1997)

Vendita di batterie e di elementi per applicazioni su mezzi di trasporto

Settori di applicazione	Batterie vendute (numero annuo)	Elementi venduti (numero annuo)
Batterie per avviamento autoveicoli	8 500 000
Batterie per trazione (carrelli elevatori)		300 000
Batterie per illumimazione e servizi nelle carrozze viaggiatori	20 000
Batterie per avviamento (locomotive e automotrici diesel)	5 000
Batterie per mezzi di trazione rotabili elettrici (per il sistema di innalzamento pantografo ecc.; per il gruppo di continuità del sistema di controllo ecc.)		3 000
Batterie per sistemi di frenatura di emergenza e servizi in metropolitane e tram.	1 500

Nel 1998 sono state immesse sul mercato italiano circa 175 000 tonnellate di accumulatori al piombo, delle quali 140 000 riguardano accumulatori per avviamento e 35 000 accumulatori per applicazioni industriali.

Procedure di smaltimento differenziato e di riciclaggio
Dato che gli accumulatori perdono gradualmente le loro proprietà, a un certo momento essi devono essere sostituiti. E poiché gli accumulatori esausti contengono spesso metalli di alta pericolosità ambientale (principalmente piombo e cadmio), assumono importanza fondamentale lo smaltimento e il riciclaggio dei materiali che li costituiscono.

 

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