Batterie/Pila

Storia della batteria

Una delle scoperte più straordinarie e nuove negli ultimi 400 anni è stata la scoperta dell’elettricità. Il suo uso pratico è cominciato dalla metà fino alla fine del 1800, e in un primo momento in modo limitato. Alcune delle prime opere pubbliche sono state illuminazione stradale a Berlino nel 1882, illuminazione della Fiera del Chicago nel 1893 con 250.000 lampadine e illuminazione del ponte sul fiume Senna durante la Fiera mondiale di Parigi 1900.

Batteria Parthian

L’uso dell’elettricità avvenne anche in tempi antichi. Durante la costruzione di una ferrovia nel 1936 vicino a Baghdad, i lavoratori hanno scoperto quello che sembrava una batteria preistorica, nota anche come Batteria Parthian. L’oggetto risale all’Impero Parthiano  circa 2.000 anni fa. La batteria era costituita da un vaso di argilla che era riempito con una soluzione di aceto in cui è stata inserita una barra di ferro circondata da un cilindro di rame. Questo dispositivo produceva da 1,1 a 2,0 volt di energia elettrica.

Non tutti gli scienziati accettano la batteria Parthian come fonte di energia. È possibile che il dispositivo sia stato utilizzato per la galvanizzazione, aggiungendo uno strato d’oro o di altri metalli preziosi su una superficie. Si dice che gli Egiziani disponessero di antimonio galvanizzato su rame oltre 4.300 anni fa. Le prove archeologiche suggeriscono che i babilonesi sono stati i primi a scoprire e utilizzare una tecnica galvanica nella produzione di gioielli utilizzando un elettrolita a base di succo d’uva e gres porcellanato. I Parthi, che hanno governato Baghdad (circa 250 aC), potrebbero aver usato le batterie per l’argento elettrolitico.

Otto von Guericke

Uno dei metodi più vecchi per generare elettricità è stato la scoperta della carica statica. Nel 1672, Otto von Guericke costruì la prima macchina in grado di generare una carica elettrica, in altre parole il primo generatore elettrostatico, basato sulla separazione di carica ottenuta per sfregamento di una sfera di zolfo.Inventò anche  una macchina pneumatica, con la quale effettuò le prime ricerche sul vuoto e sulla pressione atmosferica: a lui è dovuta la famosa esperienza degli “emisferi di Magdeburgo”, ripetuta davanti alla dieta imperiale a Ratisbona (1654). Si dedicò, inoltre, a ricerche di astronomia.

La bottiglia di Leida è il risultato di una scoperta casuale avvenuta intorno al 1745 ad opera di Ewald Jürgen Georg von Kleist nato a Kamin, in Pomerania (Polonia) ex studente della università di Leida, e di Pieter van Musschenbroek  nato a Leida, in Olanda.

Nel 1745 Pieter van Musschenbroek professore presso l’università di Leida sviluppò la bottiglia chiamandola con il nome della città sede dell’università stessa: Leida. La bottiglia immagazzinava carica statica in un vaso di vetro che era rivestito di fogli metallici si presume stagnola all’interno e all’esterno del contenitore. L’invenzione  generalmente viene attribuita al fisico olandese Pieter van Musschenbroek, che lo presentò alla comunità scientifica internazionale nel 1746

La scoperta di Volta della decomposizione dell’acqua con la corrente elettrica ha posto le basi dell’elettrochimica.

Alessandro Volta

Nel 1791, mentre lavorava all’Università di Bologna, Luigi Galvani scoprì che il muscolo di una rana si contraeva al contratto di un oggetto metallico. Questo fenomeno è diventato noto come elettricità animale.

Incuriosito da questo, Volta avviò una serie di esperimenti utilizzando zinco, piombo, stagno e ferro come piastre positive (catodo) e rame, argento, oro , grafite come piastre negative (anodo). L’interesse per l’elettricità galvanica presto si diffuse.

 

La prima batteria
Composizione prima batteria

Volta scoprì nel 1800 che alcuni fluidi genererebbero un flusso continuo di energia elettrica quando usato come conduttore. Questa scoperta ha portato all’invenzione della prima cella voltaica, più comunemente nota come batteria. Volta ha appreso che impilando le celle una sopra  l’altra la tensione sarebbe aumentata .

 

 

Nel 1800, Sir Humphry Davy , inventore della lampada di sicurezza del minatore, iniziò a sperimentare gli effetti chimici dell’elettricità e scopri che la decomposizione si verificava quando passa corrente elettrica attraverso sali . Questo processo è stato successivamente chiamato elettrolisi.

Ha realizzato nuove scoperte installando la più grande e potente batteria elettrica al mondo nei vani della Royal Institution of London, collegando la batteria agli elettrodi di carbone ha prodotto la prima luce elettrica. I testimoni hanno riferito che la sua lampada elettrica a volta ha prodotto “l’arco ascendente più brillante della luce mai visto”.

Batteria originale di Cruickshank

Nel 1802, William Cruickshank progettò la prima batteria elettrica per la produzione di massa. Ha sistemato fogli quadrati di rame con fogli di zinco di uguale dimensione disposti in una lunga scatola di legno rettangolare e saldati insieme. Le scanalature nella scatola tenevano in posizione le piastre metalliche. La scatola sigillata è stata poi riempita con un elettrolita di salamoia o acido abbattuto. Questo assomigliava alla batteria che è ancora oggi con noi.

Invenzione della batteria ricaricabile

Nel 1836, John F. Daniell, un chimico inglese, sviluppò una batteria migliorata che produceva una corrente più stabile rispetto ai tentativi precedenti di immagazzinare energia elettrica. Nel 1859, il fisico francese Gaston Planté inventò la prima batteria ricaricabile basata  sulla costruzione dell’accumulatore elettrico al piombo, un sistema ancora oggi utilizzato. Fino ad allora, tutte le batterie erano primarie, il che significa che non potevano essere ricaricate.

Nel 1899 Waldemar Jungner Svedese inventò la batteria al nichel-cadmio (NiCd) che ha utilizzò il nichel come l’elettrodo positivo (catodo) e il cadmio come negativo (anodo). Gli elevati costi del materiale rispetto al piombo ne limitarono il suo utilizzo. Due anni dopo, Thomas Edison sostituì il cadmio con ferro, e questa batteria fu chiamata nickel iron (NiFe). Una bassa energia specifica, una scarsa resa a bassa temperatura e un’alta autoscarica hanno limitato il successo della batteria al nickel-iron. Fu solo nel 1932 che Schlecht e Ackermann ottennero elevate correnti di carico e migliorarono la longevità di NiCd inventando la batteria sinterizzata cioè le lamine sono create fondendo la polvere di nichel ad una temperatura al di sotto del punto di fusione . Nel 1947, Georg Neumann riuscì a sigillare la cella.

Per molti anni NiCd è stata l’unica batteria ricaricabile per applicazioni portatili. Negli anni ’90, gli ambientalisti in Europa si preoccupavano del danno causato dalla noncuranza ambientale della batteria NiCd. La direttiva sulla batteria 2006/66 /EC limita ora la vendita di batterie NiCd nell’Unione europea, ad eccezione di quelli industriali speciali per i quali non è necessaria alcuna sostituzione. L’alternativa è il nickel-metal-hydride (NiMH), una batteria più rispettosa dell’ambiente che è simile alla NiCd.

La maggior parte delle attività di ricerca rivoluzionarie attualmente riguardano il miglioramento dei sistemi a base di litio, commercializzati da Sony nel 1991. Oltre a alimentare telefoni cellulari, computer portatili, fotocamere digitali, utensili elettrici e dispositivi medici, il Li-ion viene utilizzato anche per veicoli elettrici e satelliti. La batteria presenta numerosi vantaggi, in particolare la sua elevata energia specifica, la carica semplice, la manutenzione ridotta e il benessere ambientale.