Una pila (detta anche pila elettrica, pila chimica, cella elettrochimica o batteria primaria) in elettrotecnica ed elettrochimica è un dispositivo che converte l'energia chimica in energia elettrica con una reazione di ossidoriduzione. Un insieme di più pile disposte in serie e/o parallelo (per aumentare i valori rispettivamente di tensione ai capi e/o corrente erogabile) prende comunemente il nome di pacco batteria.
Fino al 1869, anno dell'invenzione della dinamo, la pila fu l'unico mezzo di produzione di energia elettrica.
Storia Volta e la prima pila
Nel 1799 Alessandro Volta riprese gli studi di Luigi Galvani sulla corrente elettrica, realizzando la prima pila (oggi detta voltaica), con i seguenti costituenti: un supporto di legno posto verticalmente su una base circolare; dischetti di rame e zinco panno imbevuto di una soluzione acida formata da acqua e acido solforico due fili di rame.
La pila di Volta consiste in dischetti di rame e zinco alternati, secondo lo schema rame-zinco-umido-rame-zinco, e così via, il tutto mantenuto verticalmente dalla struttura di legno esterna. Una volta disposti i dischetti e il panno sul supporto, collegando il primo e l'ultimo dischetto della colonna con due fili di rame, si viene a creare tra essi una differenza di potenziale in grado di produrre il passaggio di corrente. In realtà Volta credeva che il passaggio di corrente fosse dovuto alla differenza di potenziale originatasi in seguito al semplice contatto dei due metalli, mentre successivamente si capì che il passaggio di corrente è dovuto alla differenza di potenziale creata dai due metalli, provocata dalle reazioni chimiche alle quali concorre anche il mezzo umido.
Durante il funzionamento della pila, lo zinco si consuma mentre il rame rimane intatto o eventualmente si ossida. Questo perché lo zinco cede due elettroni e passa da Zn metallico a Zn2+, questi elettroni contrariamente a quanto si possa pensare non passano al rame, che serve solo per creare la differenza di potenziale, ma passano allo ione ossonio H3O+ formatosi dalla dissociazione ionica dell'acido solforico in acqua, che si trasforma in idrogeno molecolare gassoso H2. Infatti la differenza di potenziale che si può misurare ai capi di un solo strato rame-umido-zinco con un voltmetro è di circa 0,7 V. Questa tensione equivale alla semicoppia Zn/Zn2+ utilizzando come altra semicoppia quella dell'idrogeno H2/H3O+. Il dispositivo così costituito permise a Volta di produrre una corrente elettrica, di cui osservò il flusso riuscendo a indurre la contrazione dei muscoli di una rana morta.
Le pile Daniell
Nel 1836 John Frederic Daniell elaborò una pila, poi chiamata pila Daniell, sfruttando il prototipo inventato da Volta e apportando miglioramenti in termini di tensione e sicurezza d'uso. La cella è costituita da un compartimento anodico (semicella) formato da una barretta di zinco immersa in una soluzione di solfato di zinco (ZnSO4) 1 M e un compartimento catodico formato da una barretta di rame immersa in una soluzione di solfato di rame (CuSO4) 1 M.. Le due semicelle sono collegate da un ponte salino costituito da un tubo riempito da una soluzione satura di nitrato di potassio (KNO3) con dei tappi alle estremità permeabili a ioni e acqua.
Le pile Weston
La pila Weston è una pila a umido, che deve il suo nome al chimico inglese Edward Weston che la creò nel 1893. È una nota pila di riferimento, utilizzata in laboratorio per la calibrazioni di strumenti di misura quali i voltmetri ed è stata utilizzata come standard internazionale di differenza di potenziale (detta anche forza elettromotrice) dal 1911 al 1990. Da allora è bandita a causa del suo elevato contenuto di mercurio e cadmio, entrambi tossici.
Cronologia
1799: viene realizzata la pila di Volta. 1801: la pila di Volta viene presentata allInstitut National des Sciences et Arts. 1812: Giuseppe Zamboni realizza la prima pila a secco al biossido di manganese. 1816: William Hyde Wollaston realizza la pila a tazze. 1836: viene messa a punto la pila Daniell. 1838: viene realizzata la pila di Grove. 1841: viene realizzata la pila di Bunsen. 1844: primo utilizzo commerciale dell'elettricità prodotta da batterie: il telegrafo. 1859: viene realizzato da Gaston Planté il primo accumulatore (Batteria piombo-acido). 1866: Georges Leclanché inventa e brevetta il progenitore della pila a secco (soluzione elettrolita ancora acquosa). 1869: viene inventata da Antonio Pacinotti la dinamo, il primo metodo per la produzione non chimica di elettricità. 1886: Carl Gassner brevetta una pila a secco contenente pasta elettrolita e non più soluzione acquosa. 1893: viene inventata la pila Weston. 1911: la pila Weston viene adottata come riferimento standard internazionale per la misura della forza elettromotrice. 1914: la pila zinco-aria viene ideata da Charles Féry. 1936: viene ideata una pila a combustibile a metano da Emil Baur e H. Preis. 1942: viene ideata la batteria al mercurio da Samuel Ruben 1947: viene ideata una pila a combustibile con elettrolita solido da O.K. Davtyan. 1950: viene ideata una pila all'ossido di argento da Samuel Ruben. 1950: nel corso degli anni '50 viene ideata da Lewis Urry la batteria alcalina. 1954: viene realizzata da Francis Thomas Bacon una pila a combustibile a idrogeno e ossigeno, con elettrolita alcalino. 1957: inizia la commercializzazione delle pile al mercurio (Ruben-Mallory). 1963: le celle a combustibile vengono utilizzate per la prima volta su un veicolo spaziale. 1970: vengono realizzate le prime batterie non ricaricabili al litio da compagnie americane e giapponesi. 1987: viene realizzata la pila alluminio-aria. 1990: iniziano i divieti di produzione delle batterie al mercurio (Ruben-Mallory).
Descrizione generale Spesso impropriamente viene utilizzato il termine "pila"Da notare che a rigore i termini "pila" e "cella galvanica" non sono sinonimi; la pila è infatti un dispositivo che utilizza una o più celle galvaniche per funzionare (quindi la cella galvanica è in generale un singolo elemento della pila) e esistono celle galvaniche anche in altri ambiti, ad esempio nei processi corrosionistici. per indicare gli accumulatori: infatti una pila propriamente detta è una cella elettrochimica primaria in cui la reazione d'ossidoriduzione può procedere solo in una direzione (processo di scarica), a differenza delle celle elettrochimiche secondarie in cui il suddetto processo è reversibile, sebbene con un certo rendimento (processo di scarica - diretta - e ricarica - inversa). Per distinguere le pile dalle celle secondarie, queste ultime vengono denominate accumulatori (di carica elettrica e ricaricabili)..
Il termine spesso indica sia un dispositivo elettrochimico primario (pila) che secondario (accumulatore), salvo poi specificare se ricaricabile o meno (es.: batteria alcalina, oppure batteria al Ni-Cd, oppure batteria ricaricabile Ni-MH): per evitare ambiguità si parla di "pila" o "accumulatore" per identificare le due famiglie di celle, dando così per scontato che le prime non sono reversibili, mentre le seconde lo sono.
Le pile vengono utilizzate come generatori di corrente o generatori di tensione per l'alimentazione di circuiti elettrici e dispositivi elettrici, poiché hanno il vantaggio di mantenere la tensione ai capi della cella costante al variare del carico esterno.
Il principio chimico-fisico di funzionamento di una pila è una reazione di ossidoriduzione: una determinata sostanza subisce un processo di ossidazione, perdendo elettroni, mentre un'altra sostanza subisce un processo di riduzione, acquistandoli. Data la sua configurazione, la pila consente d'intercettare e sfruttare il flusso di elettroni tra le due sostanze. Tale flusso genera una corrente elettrica continua, il potenziale elettrico è funzione delle reazioni che vi avvengono. Una pila si scarica quando queste reazioni chimiche raggiungono lo stato di equilibrio. Generalmente le pile sono considerate come sistemi ad alta densità energetica e a bassa potenza, contrariamente ai supercondensatori.
Batterie primarie di uso comune Nelle pile le reazioni chimiche interne sono irreversibili, ossia non è possibile invertire la reazione semplicemente fornendo energia alla pila; quindi quando i reagenti della pila si trasformano completamente nei prodotti finali, essa si scarica definitivamente divenendo inutilizzabile. Segue la tipologia delle batterie primarie che si possono trovare in commercio:
Pile zinco-carbone
La prima pila a secco (priva di liquidi) prodotta industrialmente e commercializzata su ampia scala fu la pila zinco-carbone, brevettata nel 1886 dal Dr Carl Gassner, che sviluppò un prototipo inventato e brevettato da Georges Leclanché nel 1866 (la cosiddetta pila Leclanché). In sostanza la precedente pila Leclanché aveva i due elettrodi immersi in una soluzione acquosa elettrolita di cloruro di zinco e cloruro di ammonio, per cui non può essere considerata una vera e propria pila a secco.
La pila zinco-carbone ha forma cilindrica ed è costituita da un anodo di zinco metallico che occupa la base inferiore e la superficie del cilindro, fungendo quindi anche da contenitore. All'interno troviamo una pasta gelatinosa di biossido di manganese e cloruro di ammonio, misti ad una polvere di carbone. Il catodo è costituito da una barretta di grafite, immersa in questa pasta e la cui sommità, ricoperta da un cappuccio metallico, sporge sulla base superiore del cilindro. Una plastica sigillante divide il cappuccio metallico dal contenitore di zinco, in modo da evitare il corto circuito tra anodo e catodo.
La semireazione di riduzione avviene sulla superficie del catodo di grafite e coinvolge il biossido di manganese. La stechiometria della reazione di riduzione non è esattamente nota ed è probabilmente costituita da più reazioni parallele. Reazioni rappresentative sono le seguenti:
2 MnO2 + 2 NH + 2 e− → 2 MnO(OH) + 2 NH3 2 MnO2 + 2 NH + 2 e− → Mn2O3 + 2 NH3 + H2O
La barra di grafite e la polvere di carbone non partecipano alla reazione e servono solo per facilitare la conduzione degli elettroni. La semireazione di ossidazione avviene sulla superficie interna del contenitore di zinco e può essere così espressa:
Zn → Zn2+ + 2 e−
Il cloruro d'ammonio, oltre a fornire gli ioni H+ per la semireazione (o semireazioni) di riduzione, ha anche il compito di complessare gli ioni zinco prodotti dalla semireazione di ossidazione, mantenendo quindi bassa la concentrazione degli ioni Zn2+ liberi, e quindi mantenendo basso il potenziale di riduzione (E) della coppia redox Zn/Zn2+, secondo l'equazione di Nernst:
Zn2+ + 4 NH + 4 OH− → [Zn(NH3)4]2+ + 4 H2O
Zn e MnO2 sono entrambi solidi per cui, non avendo la pila un vero e proprio ponte salino, sono fisicamente a contatto e reagiscono all'interno della pila anche se lentamente. I potenziali di riduzione all'anodo e catodo (E) sono difficili da calcolare sia perché sono instabili a causa delle variazioni delle specie ioniche coinvolte nelle due semireazioni (secondo l'equazione di Nernst E dipende dalla concentrazioni molari delle specie ioniche coinvolte nella semireazioni), sia perché sono diverse le semireazioni di riduzione al catodo. In ogni caso la differenza di potenziale (d.d.p) o forza elettromotrice (f.e.m.) di una pila zinco carbone giovane (∆E) è circa 1,5 V.