UN cella a secco è una batteria il cui mezzo elettrolitico è costituito da una pasta e non da una soluzione. Detta pasta, però, ha un certo grado di umidità, e per questi motivi non è strettamente secca..
La poca quantità di acqua è sufficiente per il movimento degli ioni e, di conseguenza, per il flusso degli elettroni all'interno della cellula..
Il suo enorme vantaggio rispetto alle prime batterie ad umido è che essendo una pasta elettrolitica, il suo contenuto non può essere versato; come nel caso delle batterie a umido, che erano più pericolose e delicate delle loro controparti a secco. Data l'impossibilità di fuoriuscite, la cella a secco trova impiego in molti dispositivi portatili e mobili.
Nell'immagine sopra c'è una batteria a secco zinco-carbone. Più esattamente, è una versione moderna della pila Georges Leclanché. Di tutti, è il più comune e forse il più semplice.
Questi dispositivi rappresentano una comodità energetica dovuta al fatto che hanno in tasca energia chimica che può essere trasformata in elettricità; e in questo modo non dipendono dalle prese di corrente o dall'energia fornita dalle grandi centrali elettriche e dalla loro vasta rete di torri e cavi.
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Qual è la struttura di una cella a secco? Nell'immagine si vede il suo coperchio, che altro non è che un film polimerico, in acciaio, ei due terminali le cui rondelle isolanti sporgono frontalmente.
Tuttavia, questo è solo il suo aspetto esteriore; le sue parti più importanti si trovano all'interno, che ne garantiscono il corretto funzionamento.
Ogni cella a secco avrà le proprie caratteristiche, ma verrà considerata solo la cella zinco-carbone, di cui si può delineare una struttura generale per tutte le altre batterie..
Per batteria si intende l'unione di due o più batterie, e queste ultime sono celle voltaiche, come verrà spiegato in una sezione futura..
L'immagine in alto mostra la struttura interna di una batteria zinco-carbone. Non importa quale sia la cella voltaica, dovrebbero esserci sempre (normalmente) due elettrodi: uno da cui vengono emessi gli elettroni e un altro che li riceve..
Gli elettrodi sono materiali elettricamente conduttivi e, affinché ci sia corrente, entrambi devono avere differenti elettronegatività.
Ad esempio, lo zinco, una latta bianca che racchiude la batteria, è dove gli elettroni partono per il circuito elettrico (dispositivo) dove è collegato.
D'altra parte, in tutto il mezzo è l'elettrodo di carbonio grafitico; anche immerso in una pasta composta da NH4Cl, ZnClDue e MnODue.
Questo elettrodo è quello che riceve gli elettroni e nota che ha il simbolo '+', il che significa che è il terminale positivo della batteria.
Come si vede sopra l'asta di grafite nell'immagine, c'è il terminale elettrico positivo; e sotto, lo zinco interno può da cui fluiscono gli elettroni, il terminale negativo.
Questo è il motivo per cui le batterie hanno i segni "+" o "-" per indicare il modo corretto di collegarle al dispositivo e consentirne l'accensione..
Sebbene non mostrata, la pasta è protetta da una sabbia tampone e da un sigillo di cera che ne impedisce la fuoriuscita o il contatto con l'acciaio sotto piccoli urti meccanici, o agitazione..
Come funziona una cella a secco? Per cominciare, è una cella voltaica, cioè genera elettricità da reazioni chimiche. Pertanto, all'interno delle cellule si verificano reazioni redox, in cui la specie guadagna o perde elettroni..
Gli elettrodi fungono da superficie che facilita e consente lo sviluppo di queste reazioni. A seconda delle loro cariche, può verificarsi ossidazione o riduzione della specie.
Per capire meglio questo, verranno spiegati solo gli aspetti chimici della batteria zinco-carbone..
Non appena il dispositivo elettronico viene acceso, la batteria rilascerà elettroni ossidando l'elettrodo di zinco. Questo può essere rappresentato dalla seguente equazione chimica:
Zn => ZnDue+ + 2e--
Se c'è molto ZnDue+ che circonda il metallo, si verificherà una polarizzazione della carica positiva, quindi non ci sarà ulteriore ossidazione. Pertanto, ZnDue+ deve diffondersi attraverso la pasta verso il catodo, dove rientreranno gli elettroni.
Una volta che gli elettroni hanno attivato l'artefatto, ritornano all'altro elettrodo: quello di grafite, per trovare alcune specie chimiche che lo "aspettano"..
Come affermato in precedenza, c'è NH nella pasta4Cl e MnODue, sostanze che rendono acido il suo pH. Non appena entrano gli elettroni, si verificheranno le seguenti reazioni:
2NH4+ + 2e- => 2NH3 + HDue
I due prodotti, ammoniaca e idrogeno molecolare, NH3 e H.Due, sono gas, e quindi possono "gonfiare" la batteria se non subiscono altre trasformazioni; come i seguenti due:
ZnDue+ + 4NH3 => [Zn (NH3)4]Due+
HDue + 2MnODue => 2MnO (OH)
Si noti che l'ammonio è stato ridotto (elettroni guadagnati) per diventare NH3. Questi gas sono stati poi neutralizzati dagli altri componenti della pasta..
Il complesso [Zn (NH3)4]Due+ facilita la diffusione degli ioni ZnDue+ verso il catodo e quindi evitare che la batteria si "stacchi".
Il circuito esterno del manufatto funge da ponte per gli elettroni; altrimenti non ci sarebbe mai una connessione diretta tra la lattina di zinco e l'elettrodo di grafite. Nell'immagine della struttura, questo circuito rappresenterebbe il cavo nero.
Le celle a secco sono disponibili in molte varianti, dimensioni e tensioni di lavoro. Alcuni di loro non sono ricaricabili (celle voltaiche primarie), mentre altri lo sono (celle voltaiche secondarie).
La batteria zinco-carbone ha una tensione di lavoro di 1,5 V. Le loro forme cambiano in base ai loro elettrodi e alla composizione dei loro elettroliti..
Arriverà un punto in cui tutto l'elettrolito avrà reagito, e non importa quanto lo zinco sia ossidato, non ci saranno specie che riceveranno gli elettroni e ne promuoveranno il rilascio..
Inoltre, può accadere che i gas formati non siano più neutralizzati e continuino ad esercitare pressione all'interno delle batterie..
Le batterie zinco-carbone e altre batterie non ricaricabili devono essere riciclate; poiché i suoi componenti, in particolare i componenti nichel-cadmio, sono dannosi per l'ambiente inquinando i suoli e le acque.
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