Cella a secco: struttura e funzionamento

Una cella a secco è una batteria il cui mezzo elettrolitico consiste in una pasta e non in una soluzione. Detta pasta, tuttavia, ha un certo livello di umidità e per tali motivi non è rigorosamente asciutta.

La piccola quantità d'acqua è sufficiente per spostare gli ioni e, di conseguenza, il flusso di elettroni all'interno della pila.

Il suo enorme vantaggio rispetto alle prime pile bagnate è che, essendo una pasta elettrolitica, il suo contenuto non può essere versato; qualcosa che è successo con le batterie bagnate, che erano più pericolose e delicate delle loro controparti asciutte. Data l'impossibilità di fuoriuscite, la cella a secco trova uso in numeri portatili e dispositivi mobili.

Nell'immagine sopra hai una batteria a zinco-carbone secca. Più precisamente, è una versione moderna dello stack Georges Leclanché. Di tutti, è il più comune e forse il più semplice.

Questi dispositivi rappresentano un comfort energetico dovuto al fatto di avere in tasca energia chimica che può essere trasformata in energia elettrica; e in questo modo, non dipendere dalle connessioni attuali o dall'energia fornita dalle grandi centrali elettriche e dalla loro vasta rete di torri e cavi.

Struttura a secco

Qual è la struttura di una cella a secco? Nell'immagine potete vedere la sua copertina, che non è altro che un film polimerico, acciaio, e i due terminali le cui rondelle isolanti sporgono dal davanti.

Tuttavia, questo è solo il suo aspetto esteriore; al suo interno si trovano le sue parti più importanti, che assicurano il suo corretto funzionamento.

Ogni cella a secco avrà le sue caratteristiche, ma sarà considerata solo la batteria zinco-carbone, da cui si può schematizzare una struttura generale per tutte le altre batterie.

La batteria di due o più batterie è intesa come una batteria, e queste ultime sono celle fotovoltaiche, come verrà spiegato in una prossima sezione.

elettrodi

La struttura interna di una batteria zinco-carbone è mostrata nell'immagine in alto. Non importa quale sia la cella voltaica, devono esserci sempre (di solito) due elettrodi: uno da cui vengono rilasciati gli elettroni e un altro che li riceve.

Gli elettrodi sono materiali conduttivi di elettricità, e per esserci in corrente, entrambi devono avere differenti elettronegatività.

Ad esempio, lo stagno di zinco, bianco che racchiude la batteria, è il punto in cui gli elettroni si dirigono verso il circuito elettrico (dispositivo) in cui è collegato.

D'altra parte, nell'intero mezzo è l'elettrodo di carbonio grafite; Immerso anche in una pasta composta da NH 4 Cl, ZnCl 2 e MnO 2 .

Questo elettrodo è quello che riceve gli elettroni e nota che ha il simbolo '+', il che significa che è il terminale positivo della batteria.

terminali

Come visto sopra la barra di grafite nell'immagine, c'è il terminale elettrico positivo; e sotto, dal barattolo di zinco interno dove fluiscono gli elettroni, il terminale negativo.

Questo è il motivo per cui le batterie portano i segni "+" o "-" per indicare il modo corretto di collegarli al dispositivo e, quindi, permetterne l'accensione.

Sabbia e cera

Sebbene non sia mostrato, la pasta è protetta da una sabbia tampone e da un sigillo di cera che impedisce, a seguito di leggeri urti meccanici o agitazione, di fuoriuscire o di entrare in contatto con l'acciaio.

operazione

Come funziona una cella a secco? Per cominciare, è una cellula voltaica, cioè genera elettricità dalle reazioni chimiche. Pertanto, le reazioni redox si verificano all'interno di pile, dove le specie ottengono o perdono elettroni.

Gli elettrodi servono come una superficie che facilita e consente lo sviluppo di queste reazioni. A seconda del carico, possono verificarsi ossidazione o riduzione della specie.

Per capire meglio questo, verranno spiegati solo gli aspetti chimici della batteria zinco-carbone.

Ossidazione dell'elettrodo di zinco

Non appena il dispositivo elettronico è acceso, la batteria rilascerà elettroni ossidando l'elettrodo di zinco. Questo può essere rappresentato dalla seguente equazione chimica:

Zn => Zn2 + + 2e

Se c'è molto Zn2 + che circonda il metallo, si verificherà una polarizzazione della carica positiva, quindi non ci sarà ulteriore ossidazione. Pertanto, Zn2 + deve diffondersi attraverso la pasta al catodo, dove gli elettroni torneranno indietro.

Gli elettroni, una volta attivato il dispositivo, ritornano all'altro elettrodo: quello della grafite, per trovare le specie chimiche "in attesa di esso".

Riduzione del cloruro di ammonio

Come detto sopra, nella pasta ci sono NH 4 Cl e MnO 2, sostanze che trasformano il loro pH acido. Non appena entrano gli elettroni, si verificano le seguenti reazioni:

2NH 4 + + 2e- => 2NH 3 + H 2

I due prodotti, l'ammoniaca e l'idrogeno molecolare, NH 3 e H 2, sono gas, e quindi possono "gonfiarsi" la pila se non subiscono altre trasformazioni; come per esempio, i seguenti due:

Zn2 + + 4NH 3 => [Zn (NH 3 ) 4 ] 2+

H 2 + 2MnO 2 => 2MnO (OH)

Si noti che l'ammonio è stato ridotto (elettroni guadagnati) per diventare NH 3 . Successivamente, questi gas sono stati neutralizzati dagli altri componenti della pasta.

Il complesso [Zn (NH 3 ) 4 ] 2+ facilita la diffusione degli ioni Zn 2+ verso il catodo e impedisce quindi alla cellula di "fermarsi".

Il circuito esterno del dispositivo funziona come un ponte per gli elettroni; altrimenti, non ci sarebbe mai una connessione diretta tra la latta di zinco e l'elettrodo di grafite. Nell'immagine della struttura, questo circuito rappresenterebbe il cavo nero.

scarico

Le batterie a secco hanno molte varianti, dimensioni e tensioni di funzionamento. Alcuni di loro non sono ricaricabili (cellule solari primarie), mentre altri (cellule solari secondarie).

La batteria zinco-carbone ha una tensione di lavoro di 1, 5 V. Le loro forme cambiano a seconda dei loro elettrodi e della composizione dei loro elettroliti.

Arriverà un punto in cui tutto l'elettrolito ha reagito, e non importa quanto lo zinco sia ossidato, non ci saranno specie che ricevono gli elettroni e ne promuovono il rilascio.

Inoltre, può essere il caso in cui i gas formati non sono più neutralizzati e continuano a esercitare pressione all'interno delle pile.

Le batterie a carbone di zinco e altre che non sono ricaricabili devono essere riciclate; poiché i suoi componenti, specialmente se sono nichel-cadmio, sono dannosi per l'ambiente contaminando terreni e acque.