Funzione batteria auto

Come funziona e come è costruita la batteria di un'auto?

La funzione tradizionale della batteria nel vano motore è ben nota: senza la batteria il veicolo non può essere avviato. Non è solo il motorino di avviamento che richiede energia elettrica, ma anche le candele, le candelette, le luci e le applicazioni elettroniche. Ma come è costruita una batteria e come funziona?

Le batterie al piombo-acido: Componenti e struttura

Molti automobilisti si rendono conto del peso elevato delle batterie per auto quando ne acquistano una nuova. Sono possibili pesi da circa 10,5 kg fino a 30 kg. Il motivo è da ricercare nelle piastre di piombo delle celle della batteria.

Componenti e struttura di una cella della batteria

Elettrodo positivo:

• Piastra positiva: In una batteria al piombo, la piastra con carica positiva (materiale attivo) è costituita da ossido di piombo (PbO₂) immerso in un elettrolita.
• Griglia positiva: La griglia positiva è costituita da una lega di piombo e viene utilizzata per contenere il materiale attivo e come collettore di corrente.

Elettrodo negativo:

• Piastra negativa: La piastra con carica negativa (materiale attivo) è costituita da piombo puro (Pb), anch'esso immerso in un elettrolita.
• Piastra negativa: Come la piastra positiva, anche questa è costituita da una lega di piombo e serve allo stesso scopo.
  

Gli elettrodi con cariche diverse sono separati da un sacchetto separatore.

L'elettrolita è una miscela di acido solforico (H₂SO₄) e acqua distillata. L'elettrolita può essere in forma liquida (come nelle batterie a umido convenzionali o nella tecnologia EFB potenziata), in forma di gel o legato in un tappetino di vetro (come nella tecnologia AGM per le più recenti applicazioni start-stop).

Diversi elettrodi positivi formano un set di piastre positive e diversi elettrodi negativi formano un set di piastre negative. Insieme, una lastra negativa e una positiva formano un blocco di lastre. Un blocco di piastre è una cella della batteria.

Una batteria di avviamento convenzionale è costituita da 6 celle collegate in serie, ciascuna con una tensione nominale di 2 V, che determina una tensione di 12,72 V esatti quando la batteria è completamente carica. La capacità e la capacità di avviamento a freddo della batteria derivano dal numero di piastre per cella.

Regola empirica: più piastre contiene una cella, e quindi formano una superficie più ampia, maggiore è la potenza di avviamento a freddo (CCA) che la batteria può erogare. Tuttavia, se lo spazio nella cella viene utilizzato per un numero inferiore di piastre, ma più spesse, la stabilità del ciclo aumenta. Le celle sono contenute in un involucro di plastica resistente agli acidi (polipropilene). In una batteria SLI convenzionale, questo è chiuso da un coperchio con un sistema a labirinto che impedisce la fuoriuscita del liquido della batteria e separa il liquido dal gas.

Le prime batterie erano dotate di tappi a vite che permettevano di rabboccare con acqua distillata. Le moderne batterie sono completamente prive di manutenzione. L'acqua non ha bisogno e non deve essere rabboccata. Sebbene le batterie AGM siano ancora dotate di “tappi unidirezionali”, questi non devono essere aperti in nessun caso.

Funzione della batteria dell'auto: L'energia chimica diventa energia elettrica

Una batteria per auto immagazzina energia in forma chimica e la converte in energia elettrica. In questo processo elettrochimico, quattro materiali reagiscono tra loro:

• Idrogeno (H)
• Ossigeno (O₂)
• Piombo (Pb)
• Zolfo (S)

La connessione di un'utenza esterna avvia la reazione chimica nella batteria:

• L'elettrolita, una miscela di acido solforico (H₂SO₄) e acqua distillata, si decompone in ioni idrogeno con carica positiva (H⁺) e ioni solfato con carica negativa (SO₄^2-).
• Al tempo stesso, gli elettroni (2e^–) viaggiano dall'elettrodo negativo a quello positivo attraverso il consumatore esterno.
• Per compensare questo flusso di elettroni, gli ioni solfato passano dall'elettrolita all'elettrodo negativo, dove reagiscono con il piombo (Pb) per produrre solfato di piombo (PbSO₄).
• Il solfato di piombo viene prodotto anche nell'elettrodo positivo: Il legame dell'ossigeno (O₂) nell'ossido di piombo (PbO₂) viene rotto dal trasferimento di elettroni e l'ossigeno passa nell'elettrolita. Il piombo rimanente (Pb) si lega al solfato (SO₄) dell'elettrolita.
• Lì, l'ossigeno si lega all'idrogeno per formare acqua (H₂O). Man mano che l'acido solforico viene consumato dalla formazione di solfato di piombo, la concentrazione della soluzione elettrolitica si riduce. Quando la concentrazione dell'acido solforico scende al di sotto di un certo livello, la batteria deve essere ricaricata.
• Durante la carica, i processi chimici avvengono in sequenza inversa. Alla fine, si possono trovare gli elementi originali: L'elettrodo positivo è costituito da solfato di piombo (PbSO₄), l'elettrodo negativo da piombo puro (Pb) e l'elettrolita da acido solforico diluito (H₂SO₄). Poiché questo processo di conversione è associato a perdite, una batteria può sopportare solo un numero limitato di cicli di carica. La sua vita utile è quindi limitata. 

Problemi delle batterie al piombo: Solfatazione e stratificazione di acido

Se una batteria viene caricata con una tensione troppo bassa o se funziona sempre con una tensione troppo bassa (inferiore all'80%) si verifica una stratificazione di acido, detta anche stratificazione. L'acido nell'elettrolita si stratifica a causa della scarsa miscelazione. Le diverse densità causano la stratificazione dell'acido solforico sul fondo e dell'acqua nell'area superiore della batteria. Per questo motivo, solo la parte centrale dell'elettrolito, cioè solo un terzo, può essere utilizzata per il processo di scarica e carica.

Una possibile causa della stratificazione di acido è rappresentata soprattutto dai viaggi brevi con l'utilizzo contemporaneo di un gran numero di utenze elettriche. In questo caso, l'alternatore non ha tempo sufficiente per ricaricare la batteria.

Un risultato della stratificazione dell'acido è la solfatazione. Se ciò si verifica nella batteria, o se questa non viene costantemente caricata a un livello adeguato, il solfato di piombo (PbSO₄) cristallizza sugli elettrodi, formando nel corso del tempo strutture cristalline più grandi. Questo processo è noto come “solfatazione”. La cristallizzazione impedisce la riconversione del solfato di piombo nei componenti originali di piombo o ossido di piombo, con conseguente impossibilità di accettazione della carica e riduzione della potenza di avviamento a freddo.

I cristalli taglienti possono anche danneggiare i separatori o causare cortocircuiti nelle celle.

Per contrastare questo effetto e prevenire un guasto prematuro della batteria, non si deve mai sottoporre una batteria a un basso livello di carica per un lungo periodo. Per questo motivo, è consigliabile testare regolarmente la batteria e caricarla completamente, se necessario.

Volete saperne di più su questo argomento? Come caricare correttamente una batteria.

Nuove tecnologie per le batterie: AGM e ioni di litio

Fino ad oggi, le batterie convenzionali al piombo-acido hanno avuto una quota di mercato elevata. Tuttavia, il mercato sta cambiando rapidamente: Le tecnologie innovative delle batterie per i veicoli start-stop, come AGM , utilizzano l'acido legato in un tappetino per fornire una maggiore stabilità del ciclo e garantire prestazioni affidabili nei veicoli con un maggiore fabbisogno energetico. Un ulteriore vantaggio dell'AGM: La stratificazione dell'acido non è più possibile a causa dell'acido legato.
Una nuova generazione di batterie per auto per veicoli micro-ibridi funziona a 48V e utilizza celle con tecnologia agli ioni di litio.