Perché le batterie sono disponibili in così tante dimensioni e forme

Se ultimamente hai guardato nel cassetto delle utilità, potresti aver notato le varie forme, dimensioni e tipi di batterie che alimentano i tuoi dispositivi elettronici.Innanzitutto ci sono le pile a bottone rotonde, non ricaricabili, per orologi e piccoli oggetti.Sono disponibili anche le popolari batterie cilindriche AA e AAA per calcolatrici, orologi e telecomandi.Quindi hai le batterie ricaricabili agli ioni di litio nei tuoi laptop e telefoni.E non dimenticare la batteria al piombo della tua auto.

Sono un professore che studia batterie ed elettrochimica.Per capire perché le batterie sono tante dimensioni e forme diverse – e servono a molti scopi – guarda al passato, a come sono nate le batterie e come si sono sviluppate nel corso degli anni.

Le prime batterie furono prodotte nel 1800 ed erano piuttosto semplici.Una delle prime dimostrazioni è stata a serie di dischi metallici imbevuti di salamoia, che lo scienziato italiano Alessandro Volta ha scoperto creava una corrente elettrica.La prima batteria al piombo era composta da a pochi pezzi di piombo in un barattolo di acido solforico.Le versioni moderne non sono poi così diverse.Sono semplicemente più facili da produrre e contengono vari additivi per migliorare le prestazioni.

In tutti i casi, le batterie funzionano allo stesso modo:una differenza di tensione tra due elettrodi diversi produce una corrente elettrica, che può essere scaricata per alimentare un dispositivo.Le batterie ricaricabili possono quindi invertire questa corrente per ricaricarsi.All'interno della batteria la corrente elettrica è accompagnata dal flusso di ioni attraverso un liquido, l'elettrolita.

Il passaggio di ciascun elettrone nella corrente è accompagnato dal trasporto di uno ione attraverso l'elettrolita.Gli elettrodi che possono immagazzinare più ioni portano a batterie che possono trattenere più carica e quindi durare più a lungo con una singola carica.Gli elettrodi progettati per un accumulo di ioni più rapido portano a batterie che possono scaricarsi più velocemente, per applicazioni ad alta potenza.Infine, la possibilità di caricarsi e scaricarsi più volte senza degradarsi garantisce batterie con una lunga durata.

Batterie al piombo

La batteria al piombo è stata la prima batteria ricaricabile inventata nel 1859 da Gaston Plante, che fece esperimenti con piastre di piombo in una soluzione acida e scoprì che il flusso e l'immagazzinamento della corrente elettrica potevano essere invertiti.

Una batteria al piombo deve essere abbastanza grande da fornire una carica sufficiente per avviare un’auto.Deve anche essere utilizzabile in climi freddi e durare molti anni.Poiché l'elettrolita è un acido corrosivo, l'involucro esterno deve essere resistente per proteggere le persone e le parti dell'auto da ogni possibile danno.Sapendo tutto questo, è logico che le moderne batterie al piombo siano pesanti e bloccate.

Pile alcaline

D’altro canto, i dispositivi domestici come calcolatrici e bilance digitali possono permettersi di utilizzare batterie più piccole perché non richiedono molta carica.Si tratta principalmente di batterie alcaline non ricaricabili utilizzate da decenni.Le dimensioni standardizzate delle celle sono AAAA, AAA, AA, C e D, nonché celle a bottone, a moneta e molte altre.Le dimensioni dipendono dalla quantità di carica immagazzinata (più grande è la batteria, maggiore è la sua capacità) e dalle dimensioni dei dispositivi che alimentano.

A volte potresti trovare batterie alcaline vendute in forme rettangolari, come le comuni batterie da 9 volt, ma aprire l'involucro esterno e scoprirai che sono semplicemente poche cellule cilindriche collegate tra loro all'interno.Le batterie cilindriche sono in circolazione da così tanto tempo e sono utilizzate così ampiamente che semplicemente non ha senso che le aziende producano qualcosa di diverso: richiederebbe un investimento per cambiare i loro impianti di produzione, qualcosa che preferirebbero non fare.

Batterie agli ioni di litio

Le batterie al nichel-cadmio furono le prime batterie ricaricabili ampiamente utilizzate per l'elettronica domestica e rimasero popolari fino alla fine del XX secolo.Ma avevano le loro insidie.Il cadmio è molto tossico e le batterie soffrivano di un “effetto memoria”, che ne riduceva la durata.

Per molti decenni, il litio è stato studiato per un potenziale utilizzo nelle batterie ricaricabili grazie alle sue proprietà uniche di metallo leggero che immagazzina molta energia.Sony innanzitutto ha commercializzato la batteria agli ioni di litio nel 1991.

L'azienda produceva celle cilindriche perché erano le più facili da produrre.Negli anni '90, Sony produceva moltissime videocamere e nastri, e quindi disponeva di molte attrezzature produzione roll-to-roll.È stato naturale riutilizzare questa attrezzatura per produrre rotoli di elettrodi per batterie, realizzati colando pellicole su fogli di rame o alluminio e poi arrotolandoli in un cilindro “jelly roll”.

Lo spesso involucro di questi cellule cilindriche è meccanicamente resistente e per aggiungere un ulteriore livello di sicurezza è dotato di una valvola limitatrice di pressione.Molto rapidamente, queste prime celle agli ioni di litio conquistarono il mercato dell’elettronica portatile, in particolare laptop e cellulari, perché immagazzinavano più energia e duravano più a lungo delle batterie ricaricabili al nichel-cadmio.

Fattori che modellano le batterie

Le batterie vengono realizzate in determinate dimensioni e forme per ragioni di costo e producibilità, ma in altri casi a causa di processi di produzione legacy.Anche la domanda del mercato gioca un ruolo.

Ad esempio, i veicoli elettrici non sono decollati fino a quando Tesla non ha iniziato a produrre automobili utilizzando celle cilindriche agli ioni di litio anziché la custodia rettangolare o le celle prismatiche utilizzate da altri produttori di veicoli elettrici.Le celle a sacchetto e prismatiche possono essere imballate strettamente insieme, ma perché le celle cilindriche lo erano già prodotto in serie per l’elettronica portatile, Tesla è stata in grado di produrre veicoli elettrici a basso costo negli anni 2010.

La forma e le dimensioni che assumeranno le batterie in futuro dipendono non solo dalla quantità di energia che immagazzinano, ma anche dall'economia di mercato: quanto è facile produrre ciascun tipo di cella, quanto costa produrle e come vengono utilizzate. per.E questi fattori sono un mix di innovazione e storia.