Perché le batterie hanno tante forme e dimensioni diverse?
Chiunque abbia aperto il cassetto degli utensili di casa si sarà accorto della varietà di forme, dimensioni e tipologie di batterie che alimentano i dispositivi elettronici di uso quotidiano. Si va dalle piccole batterie a bottone, non ricaricabili, utilizzate per orologi e piccoli oggetti, alle più comuni batterie cilindriche AA e AAA per calcolatrici, orologi e telecomandi. Non dimentichiamo poi le batterie agli ioni di litio ricaricabili presenti in laptop e telefoni cellulari, e la batteria al piombo-acido delle automobili.
• Le batterie agli ioni di litio
• Fattori che influenzano la forma delle batterie
Per comprendere la ragione dietro la diversità di dimensioni e forme delle batterie, è necessario guardare al passato, alle origini delle batterie e al loro sviluppo nel corso degli anni. Le prime batterie risalgono al 1800 e erano piuttosto semplici. Una delle prime dimostrazioni fu quella di dischi metallici immersi in salamoia, che lo scienziato italiano Alessandro Volta scoprì generare una corrente elettrica. La prima batteria al piombo-acido era costituita da pezzi di piombo in un barattolo di acido solforico. Le versioni moderne non sono molto diverse, ma sono più facili da produrre e contengono vari additivi per migliorarne le prestazioni.
In tutti i casi, le batterie funzionano allo stesso modo: una differenza di potenziale tra due elettrodi dissimili produce una corrente elettrica, che può essere scaricata per alimentare un dispositivo. Le batterie ricaricabili possono poi 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 ogni elettrone nella corrente è accompagnato dal trasporto di un ione attraverso l’elettrolita. Elettrodi in grado di immagazzinare più ioni portano a batterie che possono contenere più carica e quindi durare più a lungo con una singola carica. Elettrodi progettati per un immagazzinamento più rapido degli ioni portano a batterie che possono scaricarsi più velocemente, per applicazioni ad alta potenza. Infine, la capacità di caricarsi e scaricarsi molte volte senza degradarsi porta a batterie con una lunga durata.
Le batterie al piombo-acido
La batteria al piombo-acido fu la prima batteria ricaricabile inventata nel 1859 da Gaston Plante, che sperimentò 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-acido deve essere abbastanza grande da fornire abbastanza carica per avviare un’auto. Deve anche essere utilizzabile in climi freddi e durare molti anni. Poiché l’elettrolita è un acido corrosivo, il guscio esterno deve essere robusto per proteggere persone e parti dell’auto da eventuali danni. Sapendo tutto ciò, ha senso che le moderne batterie al piombo-acido siano pesanti e di forma compatta.
Dispositivi domestici come calcolatrici e bilance digitali possono permettersi di utilizzare batterie più piccole perché non richiedono molta carica. Queste sono principalmente batterie alcaline non ricaricabili che vengono utilizzate da decenni. Le dimensioni standardizzate delle celle sono AAAA, AAA, AA, C e D, oltre a celle a bottone e a moneta e molte altre. Le dimensioni sono correlate alla quantità di carica che immagazzinano: più grande è la batteria, più carica contiene, e alle dimensioni dei dispositivi che alimentano.
A volte, si possono trovare batterie alcaline vendute in forme rettangolari, come le comuni batterie da 9 volt, ma aprendo il guscio esterno si scopre che sono semplicemente alcune celle cilindriche collegate insieme all’interno. Le batterie cilindriche sono state utilizzate per così tanto tempo e così ampiamente che non ha senso per le aziende produrre qualcosa di diverso: richiederebbe un investimento per cambiare le loro strutture di produzione, cosa che preferirebbero evitare.
Le batterie agli ioni di litio
Le batterie al nichel-cadmio furono le prime batterie ricaricabili ampiamente utilizzate per l’elettronica domestica e furono popolari fino alla fine del XX secolo. Tuttavia, avevano dei difetti. 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 l’uso potenziale in batterie ricaricabili a causa delle sue proprietà uniche come metallo leggero che immagazzina molta energia. Sony commercializzò per la prima volta la batteria agli ioni di litio nel 1991.
L’azienda produsse celle cilindriche perché queste erano le più facili da fabbricare. Negli anni ’90, Sony produceva molti videoregistratori e nastri, e quindi aveva molte attrezzature per la produzione roll-to-roll. Era naturale riproporre queste attrezzature per produrre rotoli di elettrodi per batterie, che sono realizzati colando film su fogli di rame o alluminio e poi arrotolandoli in un cilindro a “rotolo di gelatina”.
Il robusto guscio di queste celle cilindriche è meccanicamente resistente e, per aggiungere un ulteriore livello di sicurezza, hanno una valvola di scarico della pressione. Molto rapidamente, queste prime celle agli ioni di litio hanno preso il sopravvento sul mercato dell’elettronica portatile, in particolare per laptop e telefoni cellulari, perché immagazzinavano più energia e duravano più a lungo rispetto alle batterie ricaricabili al nichel-cadmio.
Fattori che influenzano la forma delle batterie
Le batterie vengono prodotte in determinate dimensioni e forme per ragioni di costo e fabbricabilità, ma in altri casi a causa di processi di produzione ereditati. Anche la domanda di mercato gioca un ruolo.
Ad esempio, i veicoli elettrici non hanno avuto successo fino a quando Tesla non ha iniziato a produrre auto utilizzando celle di batteria agli ioni di litio cilindriche piuttosto che le celle a sacchetto o prismatiche utilizzate da altri produttori di veicoli elettrici. Le celle a sacchetto e prismatiche possono essere impacchettate strettamente insieme, ma poiché le celle cilindriche erano già prodotte in massa per l’elettronica portatile, Tesla è stata in grado di produrre veicoli elettrici a costi più bassi negli anni 2010.
Le forme e le dimensioni che le batterie assumeranno in futuro dipendono non solo da quanta energia immagazzinano, ma anche dall’economia di mercato: quanto è facile produrre ogni tipo di cella, quanto costa produrle e per cosa vengono utilizzate. E questi fattori sono un mix di innovazione e storia.