Scienza delle batterie auto: come funzionano

La batteria auto è uno dei componenti elettrici più importanti, e spesso più trascurati, del vostro veicolo. Se la batteria non è in buone condizioni, potete rimanere a piedi e altri componenti del veicolo possono essere danneggiati. Questo articolo discute come funzionano le batterie e come prendersene cura.

Cosa c'è dentro una batteria auto?

Dentro una tipica batteria auto ci sono sei componenti più piccoli che producono energia chiamati celle. Ogni cella contiene una serie di elettrodi o piastre. La piastra positiva è biossido di piombo (PbO2). Le piastre negative sono piombo puro in uno stato morbido, spugnoso. Le piastre dentro ogni cella sono disposte a strati alternati per un totale di 16 componenti. Tutte le piastre positive in una cella sono cablate in parallelo, così come tutte le negative.

Ogni cella produce circa 2 volt. Le sei celle sono cablate in serie così le tensioni si sommano. Risultato: 12 volt.

Siete pronti per la chimica?

Una soluzione diluita di acido solforico (H2SO4) circonda le piastre. Il rapporto acido/acqua (H2O) è tipicamente tre parti acqua a una parte acido.

Quando connettiamo un carico ai terminali esterni, inizia una reazione chimica. La nostra miscela di acido solforico diluito comprende H2SO4 e acqua (H2O). Man mano che la reazione inizia, l'acido solforico si scinde in ioni idrogeno positivi (2H) e ioni solfato negativi (SO4).

Quando gli ioni idrogeno raggiungono la piastra di biossido di piombo, assorbono elettroni da essa e diventano atomi di idrogeno. Questo processo attacca il biossido di piombo producendo ossido di piombo (PbO) e acqua (H2O). L'ossido di piombo reagisce con l'acido solforico per formare solfato di piombo (PbSO4) e acqua (H2O).

Ioni solfato negativi si muovono liberamente nella soluzione. Quando raggiungono la piastra di piombo puro, cedono il loro elettrone in più e diventano solfato radicale. Poiché un solfato radicale non può esistere da solo, attacca la piastra di piombo puro producendo solfato di piombo (PbSO4).

L'azione degli ioni idrogeno positivi che prendono elettroni dalla piastra di biossido di piombo, e degli ioni solfato negativi che danno elettroni alla piastra di piombo puro, crea uno sbilanciamento di elettroni. Questi elettroni fluiscono attraverso il carico esterno per cercare di bilanciarsi. Questo processo è come la batteria fornisce energia al nostro carico (luce, amplificatore, riscaldatore o computer).

La chimica dietro la ricarica della batteria

Quando applichiamo una fonte DC esterna alla batteria, invertiamo il processo. Una fonte DC esterna come un alternatore o un caricabatterie fornisce elettroni alla nostra piastra di biossido di piombo coperta di solfato di piombo e alla piastra di piombo coperta di solfato di piombo. Durante la ricarica, la densità della soluzione di acido solforico diminuisce, ma abbiamo ancora ioni idrogeno positivi e ioni solfato negativi.

Gli ioni idrogeno carichi positivamente si muovono verso il terminale negativo della fonte DC esterna. Ogni ione idrogeno prende un elettrone dalla piastra negativa diventando atomo di idrogeno. Questi atomi attaccano il solfato di piombo producendo piombo e acido solforico.

Ioni solfato negativi si muovono verso la piastra carica positivamente. Quando arrivano, cedono il loro elettrone in più diventando solfati radicali. Questo solfato radicale reagisce con il solfato di piombo, formando biossido di piombo e acido solforico.

Possiamo semplificare molto!

In sintesi, il terminale negativo di una batteria al piombo-acido ha un'eccesso di elettroni. Quando collegate un carico, gli elettroni si precipitano attraverso il carico per raggiungere il terminale positivo. Questo flusso di elettroni permette alla batteria di fornire energia per fare lavoro.

Quando applichiamo una tensione alla batteria superiore alla sua tensione di riposo, il flusso di elettroni si inverte. Gli strati di solfato sulle piastre vengono convertiti di nuovo in piombo e acido solforico.

Ricarica batteria: calma – qual è la fretta?

La cosa peggiore che potete fare a una batteria auto è affrettare la ricarica. Se affrettate la reazione chimica di ricarica, il solfato di piombo si scalda e aderisce permanentemente alle piastre di piombo e biossido di piombo. Una volta incollato, non possiamo più usare quella zona della piastra per far fluire elettroni, riducendo la dimensione effettiva della batteria.

Probabilmente avete sentito l'espressione "una batteria non è più la stessa dopo che è stata uccisa". Questa affermazione è molto vera se la batteria non viene ricaricata delicatamente e a fondo.

Quando volete ricaricare correttamente la batteria, mantenere il processo lento permette alla reazione chimica di avvenire a velocità controllata. Se usate un caricabatterie computerizzato di alta qualità (e dovreste!) ci sono due fasi principali. La prima è la carica bulk (di massa). Il caricabatterie mantiene un flusso di corrente costante alla batteria regolando la tensione applicata.

Come sapere se state caricando troppo velocemente? Le batterie flooded standard non dovrebbero superare circa 49°C (120°F) durante la ricarica. Suggeriamo che più lento e fresco è sempre meglio. Una batteria AGM (absorbed glass mat) o gel non dovrebbe superare 38°C (100°F).

Una volta restituito circa l'80% dell'energia usata, il caricabatterie passa alla fase di assorbimento. In questa fase, il caricabatterie fornisce tensione costante alla batteria e il flusso di corrente diminuisce man mano che la batteria raggiunge la carica completa.

Come calcolare i tassi massimi di ricarica

Una batteria auto relativamente grande può avere capacità di 70-80 ampere-ora. Significa che in condizioni ideali potete assorbire 1 ampere per 70-80 ore. Dopo, la batteria è considerata scarica.

Per trovare il tasso di ricarica ideale per la nostra batteria da 70 Ah, dividiamo per 10 ottenendo 7 ampere. La batteria dovrebbe accettare 7 ampere di corrente di carica senza surriscaldarsi. Vale la pena notare che, se la batteria è completamente scarica, ci vorranno 10 ore per ricaricarla. Ricordate: più lento è meglio per caricare le batterie.

Prendersi cura della batteria auto

Alcuni di noi, più fanatici sulla cura e manutenzione, collegano le batterie a caricabatterie intelligenti più volte l'anno. Una regola pratica: ricaricate completamente la batteria dopo ogni cambio olio, o quattro volte l'anno. Aumentate la frequenza se fate viaggi brevi che non danno tempo di ricarica adeguato. Anche il tempo passato ad ascoltare l'impianto audio col motore spento può scaricare la batteria velocemente. Se siete stati con amici e la batteria si è scaricata, mettetela su un caricabatterie di qualità per tutta la notte.

Se potete accedere alla soluzione acida nella batteria, assicuratevi che sia al livello corretto, o almeno che copra completamente le piastre di piombo. Un idrometro dovrebbe confermare il peso specifico, ma se è basso, aggiungere acqua distillata è meglio che non fare nulla. Quel piccolo "occhio" verde incluso in alcune batterie è un idrometro. Quando scompare, l'equilibrio chimico è alterato e serve ricarica.

Il vostro rivenditore specializzato in elettronica mobile locale potrebbe avere un tester di carico batteria che usa prima di ogni installazione di avviamento remoto. Se siete preoccupati per le condizioni della batteria, chiedete loro di controllarla. Rimanere a piedi per batteria morta quando le temperature scendono è frustrante se cercate di tornare a casa o al lavoro.

Assicuratevi che i terminali e le connessioni alla vettura siano puliti e sicuri sempre. Una connessione allentata può avere un effetto negativo drammatico sulla funzionalità del sistema elettrico.

Se avete bisogno di una nuova batteria, controllate prima col vostro rivenditore specializzato locale. Spesso hanno esperienza estesa nell'aggiornamento batterie e possono aiutarvi a scegliere una soluzione che garantisca che la vostra auto sia pronta ogni volta che girate la chiave.