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Batterie, supercondensatori e celle a combustibile

Illustrazione stilizzata di una batteria cilindrica su sfondo giallo. La batteria è raffigurata in sezione trasversale, con particolare risalto agli strati interni e ai componenti. I poli positivo e negativo sono contrassegnati ed è presente un percorso circolare che indica il flusso di elettroni all’interno della batteria. Gli strati interni sono raffigurati in rosa e giallo, con punti neri che rappresentano gli ioni.

Le batterie, le celle a combustibile e i supercondensatori sono sistemi che utilizzano meccanismi elettrochimici diversi per l'accumulo e la conversione dell'energia, ma presentano caratteristiche elettrochimiche simili per applicazioni che richiedono un'elevata densità energetica e di potenza.

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Una serie di caratteristici flaconi Sigma-Aldrich all'interno della sezione trasversale di una batteria.
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Batterie

Batterie

Una batteria è costituita da elettrodi (catodo (+) e anodo (-)), un elettrolita conduttivo e un separatore tra l'anodo e il catodo. Nelle batterie ricaricabili agli ioni di litio (LIB), i cationi di litio monovalenti migrano tra gli elettrodi. Durante la scarica, l'anodo (-) si ossida (perde elettroni) e il catodo subisce una riduzione (acquisisce elettroni). Durante la ricarica, questo processo si inverte. Grazie alla loro elevata densità energetica e di potenza, alla maggiore sicurezza e ai costi dei materiali più contenuti, le LIB hanno rivoluzionato l’industria elettronica e sono ormai integrate in molti aspetti della nostra vita, dai dispositivi mobili ai veicoli elettrici. Nel 2019, il Premio Nobel per la Chimica è stato assegnato agli scienziati che hanno sviluppato la tecnologia delle LIB. 

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Illustrazione di una cella a combustibile PEM su sfondo blu. L'immagine mostra il flusso di idrogeno (H₂) e ossigeno (O₂) all'interno della cella, con l'acqua (H₂O) come sottoprodotto. Il diagramma include frecce che indicano il movimento degli elettroni (e⁻) e dei protoni (H⁺), nonché la struttura interna composta da diversi strati e canali di flusso.

Celle a combustibile

Le celle a combustibile sono costituite da un anodo, un catodo e un elettrolita conduttivo, e sono spesso collegate in serie per formare una pila, al fine di aumentare la quantità totale di elettricità generata. L'elettrodo è costituito da un materiale poroso rivestito con un catalizzatore per generare elettricità. Esistono cinque tipi principali di celle a combustibile, che si differenziano per il tipo di elettrolita utilizzato: a membrana polimerica, a ossidi solidi, a acido fosforico, alcaline e a carbonato fuso. La tecnologia a membrana elettrolitica polimerica, nota anche come membrana a scambio protonico (PEM), è considerata la più promettente per sostituire la tecnologia delle celle a combustibile alcaline.

Le celle a combustibile sono state sviluppate come tecnologia energetica alternativa, grazie alla loro elevata efficienza, alle basse emissioni e al ridotto impatto ambientale, superando i tradizionali motori a combustione. Le celle a combustibile generano solo calore e acqua come prodotti di scarto, rendendole una candidata promettente per le future fonti di energia in un’ampia varietà di applicazioni, tra cui dispositivi portatili, dispositivi fissi e soluzioni di trasporto.

Esempio di supercondensatore costituito da due elettrodi, un elettrolita e un separatore che consente il trasferimento di ioni, mantenendo separati gli elettrodi polarizzanti.

Supercondensatori

I componenti dei supercondensatori sono simili a quelli delle batterie. Tuttavia, i supercondensatori si distinguono per la loro capacità di accumulo di carica. I materiali degli elettrodi contribuiscono alle prestazioni di accumulo di un supercondensatore e possono essere suddivisi in tre categorie: condensatori a doppio strato che agiscono elettrostaticamente, pseudo-condensatori che agiscono elettrochimicamente e condensatori ibridi che utilizzano entrambi i meccanismi.

I supercondensatori sono una fonte di energia ad alta densità con elevata capacità di accumulo, lunga durata di conservazione e capacità di ricarica rapida, che li rendono ideali per applicazioni nei veicoli ibridi, nei dispositivi portatili e nell’energy harvesting. 

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