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" (conduzione elettronica).
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 (conduzione ionica).
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.
La capacità è 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 potenza di 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.Leclanché 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.
Per ulteriori dettagli su queste pile, vedi: Tecnologia delle pile zinco-carbone
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).
Per esigenze ecologiche, in queste pile è stato prima ridotto e poi praticamente eliminato (1994) il contenuto di mercurio che, nelle prime versioni, era introdotto per migliorare la conservazione della carica.
A partire dal 1996, Duracell ed Energizer hanno realizzato pile alcaline con dispositivo ottico di controllo incorporato. Il vantaggio consiste nel permettere all'utente di scegliere il momento giusto per sostituire la pila, evitando, da un lato, di sostituire anzitempo una pila ancora utilizzabile e, dall'altro, di incorrere nell'improvviso black out di un dispositivo per aver indugiato troppo a lungo ad effettuare la sostituzione della pila che lo alimenta.Un'altra soluzione, adottata ad esempio da alcuni produttori, come Duracell e Philips, è quella di accludere un analogo dispositivo nelle confezioni di più pile.
Per ulteriori dettagli su queste pile, vedi: Tecnologia delle pile alcaline
Principali produttori: Duracell, Energizer, Philips, Varta ecc.
Le pile zinco-aria. Sviluppata nei primi anni di questo secolo da C. Fery, la pila zinco-aria utilizza l'ossigeno dell'aria in prossimità del catodo di carbone poroso immerso in elettrolito alcalino. A causa della lenta diffusione dell'ossigeno, la potenza di queste pile è bassa. Esse sono adatte ad applicazioni con assorbimento di corrente non superiore a 5 - 10 mA.
La
pila è contenuta in una capsula di metallo, che forma il
terminale positivo, mentre la materia dell'anodo occupa la maggior
parte del volume disponibile. Nella capsula sono presenti uno o
più fori per consentire all'aria di penetrare all'interno e
accedere al catodo.
Le pile zinco-aria trovano applicazione, ad esempio, negli impianti di telecomunicazioni non collegati alla rete elettrica e, in strutture molto piccole (pile a bottone), nelle protesi auditive.
In Italia, il mercato delle pile zinco-aria è di una diecina di milioni di unità all'anno.
Per ulteriori dettagli su queste pile, vedi: Tecnologia delle pile zinco-aria
Principali produttori: Duracell, Energizer, Philips, Varta ecc.
Le
pile al litio. Il basso peso
specifico e l'alto potenziale elettrico del litio rendono questo
elemento chimico molto interessante per la costruzione di pile di
elevata capacità specifica (3,86 Ah/g, 7,23
Ah/cm3). Altri vantaggi sono: una tensione fra i
terminali più che doppia di quella delle pile alcaline e
una minore dipendenza dalla temperatura.
La
diffusione delle pile e la normativa europea
La grande diffusione
commerciale delle pile, la
differenziazione dei loro campi di applicazione e la loro
destinazione a un'utenza finale estremamente estesa, impongono un
notevole impegno normativo.
In particolare le norme prodotte per questo settore industriale non si limitano a raccomandazioni verso i produttori, ma danno anche istruzioni per il corretto uso e per lo smaltimento delle pile che sono di interesse per tutti gli utenti finali, in generale non a conoscenza della struttura interna delle pile, del loro funzionamento e delle loro caratteristiche.
Si elencano nel seguito le principali norme prodotte finora in ambito europeo, e tradotte e distribuite in Italia dal CEI - Comitato Elettrotecnico Italiano:
CEI EN 60086-1. Pile elettriche. Parte 1: Generalità
CEI EN 60086-2. Pile elettriche. Parte 2: Fogli di specifica
CEI EN 60086-3. Pile elettriche. Parte 3: Pile per orologi
CEI EN 60086-4. Pile elettriche. Parte 4: Norma di sicurezza per pile al litio
CEI EN 60086-5. Pile elettriche. Parte 5: Sicurezza delle pile con elettrolito acquoso
Criteri di scelta e precauzioni d'uso
Per qualche criterio pratico di scelta fra i diversi tipi di pile e fra pile e accumulatori, si rinvia al modulo "Confronti e criteri di scelta". Può servire di orientamento anche la serie di esempi presentati nella tabella "Applicazioni delle pile".
Per quanto invece riguarda altri aspetti, come le norme di sicurezza per l'uso delle pile e il loro corretto smaltimento alla fine del servizio, si rimanda rispettivamente al modulo "Precauzioni nell'uso delle pile" e al tema 3. Smaltimento e riciclaggio.
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