La batteria al piombo-acido: chimica e impieghi

È la batteria più vecchia ancora in produzione di massa, e nessuno l’ha mandata in pensione: l’accumulatore al piombo-acido avvia ogni giorno centinaia di milioni di automobili e regge gruppi di continuità in tutto il mondo. Robusta, economica e capace di erogare correnti enormi per pochi istanti, resta insostituibile dove serve potenza di spunto a basso costo.

Vediamo com’è fatta la cella al piombo-acido, quali reazioni avvengono in scarica e carica, perché è ideale per l’avviamento dell’auto e quali sono i suoi pregi e limiti.

Una cella semplice e robusta

La cella al piombo-acido è una cella galvanica con due elettrodi immersi in acido solforico diluito. L’anodo (polo negativo in scarica) è di piombo metallico spugnoso (Pb); il catodo (polo positivo) è di biossido di piombo (PbO₂); l’elettrolita è una soluzione di H₂SO₄. È una struttura semplice e tollerante, che spiega gran parte del suo successo industriale. La logica della cella galvanica è quella descritta nel pilastro dedicato.

Le reazioni di scarica

La particolarità del piombo-acido è che entrambi gli elettrodi, scaricandosi, si trasformano nello stesso prodotto: il solfato di piombo PbSO₄. All’anodo il piombo si ossida; al catodo il biossido di piombo si riduce; in entrambi i casi si consuma acido solforico e si forma acqua. È la cosiddetta reazione a «doppio solfato».

Pb + PbO₂ + 2 H₂SO₄  →  2 PbSO₄ + 2 H₂O

Poiché la scarica consuma acido solforico e produce acqua, la densità dell’elettrolita diminuisce man mano che la batteria si scarica: misurando la densità con un densimetro si può stimare lo stato di carica, un trucco classico nelle batterie ad acido libero. In carica la reazione si inverte: il solfato di piombo torna piombo e biossido di piombo, e l’acido si rigenera. Ogni cella fornisce circa 2 V, perciò una batteria d’auto da 12 V è fatta di sei celle in serie. Caricando oltre la tensione di rigenerazione, però, l’acqua dell’elettrolita comincia a scindersi in idrogeno e ossigeno (gassificazione): per questo le batterie ad acido libero richiedono rabbocchi periodici di acqua distillata, mentre le versioni sigillate (AGM e gel) immobilizzano l’elettrolita e ricombinano i gas, riducendo la manutenzione al prezzo di una maggiore sensibilità alla sovraccarica.

Perché è perfetta per l’avviamento

La grande virtù del piombo-acido è la capacità di erogare correnti molto elevate per pochi secondi: esattamente ciò che serve al motorino di avviamento di un’auto, che richiede centinaia di ampere per far girare il motore termico. Questa «corrente di spunto a freddo» (CCA) è il parametro che distingue una batteria d’avviamento. Dopo l’avviamento, l’alternatore ricarica subito la batteria, che lavora quindi quasi sempre a carica piena.

Pregi e limiti

Il piombo-acido vince su costo, affidabilità, corrente di spunto e riciclabilità: la sua filiera di recupero del piombo è una delle più efficienti al mondo. Perde invece nettamente sulla densità di energia — è pesante e ingombrante a parità di energia — e soffre le scariche profonde e la solfatazione se lasciato scarico. Per questo resta dominante nell’avviamento e nei gruppi di continuità, ma cede il passo al litio-ione dove contano peso, energia e cicli profondi, come spiega l’articolo sul confronto delle densità di energia.

Perché conta nella pratica

Capire la chimica del piombo-acido aiuta a usarlo bene: sapere che teme le scariche profonde e la solfatazione spiega perché una batteria d’auto «muore» se l’auto resta ferma a lungo, e perché conviene mantenerla carica. Distinguere una batteria d’avviamento da una a ciclo profondo evita guasti costosi. E conoscerne pregi e limiti permette di scegliere consapevolmente fra piombo-acido e litio-ione secondo l’applicazione: spunto e costo da una parte, energia e peso dall’altra.

Domande frequenti

Quali reazioni avvengono in una batteria al piombo-acido?

In scarica il piombo dell’anodo si ossida e il biossido di piombo del catodo si riduce, e in entrambi i casi si forma solfato di piombo consumando acido solforico e producendo acqua. La reazione globale è Pb + PbO₂ + 2 H₂SO₄ → 2 PbSO₄ + 2 H₂O. In carica il processo si inverte e l’acido si rigenera.

Perché la densità dell’elettrolita indica lo stato di carica?

Perché la scarica consuma acido solforico e produce acqua, quindi la densità dell’elettrolita diminuisce man mano che la batteria si scarica. Misurandola con un densimetro si stima lo stato di carica. È un metodo classico, valido per le batterie ad acido libero in cui si può accedere all’elettrolita.

Perché il piombo-acido è usato per avviare le auto?

Perché riesce a erogare correnti molto elevate per pochi secondi, esattamente ciò che serve al motorino di avviamento. Questa corrente di spunto a freddo (CCA) è il suo punto di forza. Dopo l’avviamento l’alternatore la ricarica subito, perciò lavora quasi sempre a carica piena, condizione che gradisce.

Che cos’è la solfatazione?

È la formazione di cristalli stabili e poco reattivi di solfato di piombo sugli elettrodi quando la batteria resta scarica a lungo. Quel solfato non si riconverte facilmente in carica, perciò la capacità cala in modo permanente. È la principale causa di morte prematura delle batterie al piombo-acido lasciate scariche.

Perché il piombo-acido non sostituisce il litio-ione?

Perché ha una densità di energia molto più bassa: a parità di energia è pesante e ingombrante, e soffre le scariche profonde. Resta imbattibile su costo, corrente di spunto e riciclabilità, ma dove contano peso, energia immagazzinata e molti cicli profondi il litio-ione è superiore. Le due tecnologie coprono esigenze diverse.