Le batterie elettrochimiche rappresentano una delle tecnologie più importanti nel campo dell'energia, svolgendo un ruolo cruciale nella nostra vita quotidiana e nelle applicazioni industriali. Questi dispositivi consentono la conversione dell'energia chimica in energia elettrica, permettendo di immagazzinare e utilizzare energia in modo efficiente. La crescente richiesta di fonti di energia rinnovabile e di dispositivi portatili ha portato a un notevole sviluppo delle batterie elettrochimiche, rendendo imperativo comprendere il loro funzionamento, la loro classificazione e i loro impieghi.

Le batterie elettrochimiche si basano su reazioni redox (ossidoriduzione) che avvengono all'interno di celle elettrochimiche. Ogni batteria è composta da due elettrodi: un anodo, dove avviene l'ossidazione, e un catodo, dove avviene la riduzione. Questi elettrodi sono immersi in un elettrolita, una soluzione conduttrice che permette il passaggio di ioni tra gli elettrodi, completando così il circuito elettrico. Quando la batteria è in fase di scarica, gli elettroni fluiscono dall'anodo al catodo attraverso il circuito esterno, fornendo energia elettrica. Durante la fase di ricarica, il processo viene invertito, e gli elettroni tornano all'anodo.

La classificazione delle batterie elettrochimiche può avvenire in base a diversi criteri, come il tipo di elettrolita utilizzato, il materiale degli elettrodi e il modo in cui l'energia viene immagazzinata. Le batterie possono essere suddivise in due categorie principali: batterie primarie e batterie secondarie. Le batterie primarie, come le batterie alcaline, sono progettate per un uso singolo e non possono essere ricaricate. Al contrario, le batterie secondarie, come le batterie al litio, possono essere ricaricate e utilizzate più volte.

Le batterie al piombo-acido, una delle più antiche forme di batterie ricaricabili, consistono in piombo e biossido di piombo come materiali anodici e catodici, rispettivamente, mentre l'acido solforico funge da elettrolita. Queste batterie sono ampiamente utilizzate in applicazioni automobilistiche, come per l'avviamento dei motori, grazie alla loro capacità di fornire elevate correnti di avviamento. Tuttavia, sono pesanti e hanno una durata limitata.

Le batterie agli ioni di litio rappresentano una delle innovazioni più significative nel campo delle batterie elettrochimiche. Utilizzano un elettrolita a base di sali di litio e materiali come grafite per l'anodo e ossidi metallici per il catodo. Le batterie agli ioni di litio sono leggere, hanno una densità energetica elevata e possono essere ricaricate molte volte, rendendole ideali per dispositivi portatili come smartphone, laptop e veicoli elettrici. La loro efficienza e il loro basso tasso di autoscarica hanno contribuito a una rapida diffusione e alla crescente domanda nel mercato globale.

Un altro esempio di batteria elettrochimica è la batteria al nichel-idruro metallico (NiMH), che è stata sviluppata come alternativa alle batterie al piombo-acido. Queste batterie offrono una capacità superiore e una minore auto-scarica rispetto alle batterie alcaline. Sono comunemente utilizzate in automobili ibride e in dispositivi di consumo come fotocamere e giocattoli. Sebbene abbiano una minore densità energetica rispetto alle batterie agli ioni di litio, sono più economiche e più facili da riciclare.

Le batterie a flusso rappresentano un'altra categoria innovativa, utilizzate principalmente per lo stoccaggio di energia su larga scala. Queste batterie funzionano attraverso il pompaggio di elettroliti liquidi in una cella elettrochimica, dove avvengono le reazioni redox. Le batterie a flusso possono essere scalate facilmente per immagazzinare grandi quantità di energia, rendendole ideali per le applicazioni di energia rinnovabile, come l'energia solare e eolica, dove l'energia deve essere immagazzinata durante i periodi di produzione elevata e rilasciata quando necessario.

Le reazioni chimiche che avvengono nelle batterie possono essere rappresentate da formule chimiche. Ad esempio, nel caso delle batterie al piombo-acido, la reazione globale durante la scarica è la seguente:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O

In questa reazione, il piombo (Pb) si ossida a PbSO4, mentre il biossido di piombo (PbO2) si riduce anch'esso a PbSO4, liberando energia elettrica. Durante la ricarica, le reazioni avvengono in senso inverso.

Nelle batterie agli ioni di litio, la reazione di scarica può essere rappresentata come segue:

LiCoO2 + C6 → Li1-xCoO2 + LixC6

Qui, il litio viene trasferito dall'elettrodo catodico (LiCoO2) all'anodo (C6), generando una corrente elettrica. Durante la ricarica, il litio ritorna al catodo.

Lo sviluppo delle batterie elettrochimiche è stato il risultato del contributo di numerosi scienziati e ingegneri nel corso della storia. Alessandro Volta, uno dei pionieri della scienza elettrica, ha inventato la prima batteria elettrica, la pila di Volta, nel 1800. Questo dispositivo ha segnato l'inizio dell'era delle batterie, consentendo la generazione di corrente elettrica continua.

Negli anni '70, John Goodenough ha svolto un ruolo fondamentale nello sviluppo delle batterie agli ioni di litio, contribuendo alla scoperta del materiale catodico a base di ossido di cobalto, che ha consentito di migliorare significativamente la densità energetica delle batterie. La sua ricerca ha portato a un'ampia diffusione delle batterie agli ioni di litio nei dispositivi elettronici portatili e nei veicoli elettrici. Altri scienziati, come Akira Yoshino, hanno collaborato allo sviluppo di tecnologie per la produzione di batterie agli ioni di litio più sicure ed efficienti.

In sintesi, le batterie elettrochimiche sono dispositivi essenziali che hanno rivoluzionato il modo in cui utilizziamo e immagazziniamo energia. La loro evoluzione continua a influenzare profondamente la tecnologia moderna, contribuendo a un futuro sostenibile e a una maggiore efficienza energetica. Con l'aumento della domanda di energia e la necessità di soluzioni ecologiche, è fondamentale continuare a investire nella ricerca e nello sviluppo di batterie sempre più avanzate e sostenibili.