Il termine batteria si riferisce a una raccolta di individui cellule, che può generare elettricità attraverso reazioni chimiche. Le celle sono classificate come entrambe primario or secondario. Nelle celle primarie le reazioni chimiche che producono il flusso di elettroni non sono reversibili, e quindi le celle non si ricaricano facilmente. Al contrario, le celle secondarie devono essere caricate prima del loro utilizzo, il che si ottiene facendo passare una corrente elettrica attraverso la cella. Le celle secondarie hanno il vantaggio di poter essere spesso ricaricate e scaricate ripetutamente durante l'uso.

La classica batteria primaria nell'uso quotidiano è la pila a secco Leclanché, così chiamata perché l'elettrolita è una pasta, non un liquido. La cella Leclanché è caratterizzata dalle batterie cilindriche utilizzate in torce elettriche, radio portatili, calcolatrici, giocattoli elettrici e simili. Negli ultimi anni, le batterie alcaline, come la cella al biossido di zinco-manganese, sono diventate più diffuse per questo tipo di utilizzo. Le batterie in miniatura o "a bottone" hanno trovato impiego in apparecchi acustici, computer, orologi, macchine fotografiche e altre apparecchiature elettroniche. La cella all'ossido di argento-zinco, la cella al mercurio, la cella zinco-aria e la cella al biossido di litio-manganese sono alcuni esempi. Vedere la figura 1 per una vista in sezione di una tipica batteria miniaturizzata alcalina.

Figura 1. Vista in sezione della batteria miniaturizzata alcalina

La classica batteria secondaria o di accumulo è la batteria al piombo, ampiamente utilizzata nel settore dei trasporti. Le batterie secondarie sono utilizzate anche nelle centrali elettriche e nell'industria. Strumenti ricaricabili a batteria, spazzolini da denti, torce elettriche e simili sono un nuovo mercato per le celle secondarie. Le celle secondarie al nichel-cadmio stanno diventando sempre più popolari, specialmente nelle celle tascabili per illuminazione di emergenza, avviamento diesel e applicazioni stazionarie e di trazione, dove l'affidabilità, la lunga durata, la frequente ricaricabilità e le prestazioni a bassa temperatura superano il loro costo aggiuntivo.

Le batterie ricaricabili in fase di sviluppo per l'uso nei veicoli elettrici utilizzano solfuro di litio-ferro, zinco-cloro e sodio-zolfo.

La tabella 1 riporta la composizione di alcune batterie comuni.

Tabella 1. Composizione delle batterie comuni

Processo di produzione

Sebbene esistano chiare differenze nella produzione dei diversi tipi di batterie, esistono diversi processi comuni: pesatura, macinazione, miscelazione, compressione ed essiccazione degli ingredienti costitutivi. Nei moderni impianti di batterie molti di questi processi sono chiusi e altamente automatizzati, utilizzando apparecchiature sigillate. Pertanto, l'esposizione ai vari ingredienti può verificarsi durante la pesatura e il caricamento e durante la pulizia dell'attrezzatura.

Negli impianti a batteria più vecchi, molte delle operazioni di macinazione, miscelazione e altre operazioni vengono eseguite manualmente, oppure il trasferimento degli ingredienti da una fase all'altra del processo viene eseguito manualmente. In questi casi il rischio di inalazione di polveri o di contatto della pelle con sostanze corrosive è elevato. Le precauzioni per le operazioni che producono polvere includono la chiusura totale e la manipolazione meccanizzata e la pesatura delle polveri, la ventilazione locale degli scarichi, la pulizia quotidiana a umido e/o l'aspirazione e l'uso di respiratori e altri dispositivi di protezione individuale durante le operazioni di manutenzione.

Anche il rumore è un pericolo, poiché le macchine di compressione e di confezionamento sono rumorose. I metodi di controllo del rumore e i programmi di conservazione dell'udito sono essenziali.

Gli elettroliti di molte batterie contengono idrossido di potassio corrosivo. La custodia e la protezione della pelle e degli occhi sono precauzioni indicate. L'esposizione può verificarsi anche alle particelle di metalli tossici come ossido di cadmio, mercurio, ossido di mercurio, nichel e composti di nichel e litio e composti di litio, che vengono utilizzati come anodi o catodi in particolari tipi di batterie. L'accumulatore al piombo, a volte indicato come accumulatore, può comportare notevoli rischi di esposizione al piombo ed è discusso separatamente nell'articolo "Fabbricazione di batterie al piombo".

Il litio metallico è altamente reattivo, quindi le batterie al litio devono essere assemblate in un'atmosfera secca per evitare che il litio reagisca con il vapore acqueo. L'anidride solforosa e il cloruro di tionile, utilizzati in alcune batterie al litio, sono pericolosi per le vie respiratorie. Il gas idrogeno, utilizzato nelle batterie al nichel-idrogeno, è un pericolo di incendio ed esplosione. Questi, così come i materiali nelle batterie di nuova concezione, richiederanno precauzioni speciali.

Cellule di Leclanché

Le batterie a secco Leclanché sono prodotte come mostrato in figura 2. L'elettrodo positivo o la miscela catodica comprende dal 60 al 70% di biossido di manganese, il resto è costituito da grafite, nero di acetilene, sali di ammonio, cloruro di zinco e acqua. Il biossido di manganese secco finemente macinato, la grafite e il nero di acetilene vengono pesati e caricati in un tritacarne; viene aggiunto l'elettrolita contenente acqua, cloruro di zinco e cloruro di ammonio e la miscela preparata viene pressata su una pressa per compresse o agglomeranti alimentata a mano. In alcuni casi l'impasto viene essiccato in forno, setacciato e riumidificato prima della pastigliatura. Le compresse vengono ispezionate e confezionate su macchine alimentate a mano dopo essere state lasciate indurire per alcuni giorni. Gli agglomerati vengono quindi posti in vassoi e immersi in elettrolita, e sono ora pronti per l'assemblaggio.

Figura 2. Produzione di batterie a celle Leclanché

L'anodo è la cassa di zinco, che viene preparata da grezzi di zinco su una pressa a caldo (oppure i fogli di zinco vengono piegati e saldati alla cassa). In grandi tini viene miscelata una pasta gelatinosa organica composta da amidi di mais e farina imbevuti di elettrolita. Gli ingredienti vengono solitamente versati da sacchi senza pesatura. La miscela viene quindi purificata con trucioli di zinco e biossido di manganese. Il cloruro di mercurio viene aggiunto all'elettrolita per formare un amalgama con l'interno del contenitore di zinco. Questa pasta formerà il mezzo conduttore o l'elettrolita.

Le celle vengono assemblate versando automaticamente la quantità necessaria di pasta gelatinosa nelle custodie di zinco per formare un rivestimento interno del manicotto sul contenitore di zinco. In alcuni casi gli astucci ricevono una cromatazione mediante versamento e svuotamento di una miscela di acido cromico e cloridrico prima dell'aggiunta della pasta gelatinosa. L'agglomerato catodico viene quindi posto in posizione al centro dell'involucro. Un'asta di carbonio è posta centralmente nel catodo per fungere da collettore di corrente.

La cella di zinco viene quindi sigillata con cera fusa o paraffina e riscaldata con una fiamma per ottenere una migliore tenuta. Le celle vengono quindi saldate insieme per formare la batteria. La reazione della batteria è:

2MnO₂ +2 NH₄Cl + Zn → ZnCl₂ + H₂O₂ + Mn₂O₃

I lavoratori possono essere esposti al biossido di manganese durante la pesatura, il caricamento del miscelatore, la macinazione, la pulizia del forno, la vagliatura, la pressatura manuale e l'avvolgimento, a seconda del grado di automazione, dell'involucro sigillato e della ventilazione di scarico locale. Nella pressatura manuale e nell'avvolgimento a umido, potrebbe esserci esposizione alla miscela umida, che può asciugarsi producendo polvere inalabile; dermatite può verificarsi dall'esposizione all'elettrolita leggermente corrosivo. Misure di igiene personale, guanti e protezione delle vie respiratorie per le operazioni di pulizia e manutenzione, docce e armadietti separati per il lavoro e l'abbigliamento civile possono ridurre questi rischi. Come accennato in precedenza, i rischi di rumore possono derivare dalla pressa di confezionamento e pastigliatura.

La miscelazione è automatica durante la produzione della pasta gelatinosa e l'unica esposizione è durante l'aggiunta dei materiali. Durante l'aggiunta di cloruro di mercurio alla pasta gelatinosa, c'è il rischio di inalazione e assorbimento cutaneo e possibile avvelenamento da mercurio. È necessario LEV o dispositivi di protezione individuale.

Sono anche possibili l'esposizione a fuoriuscite di acido cromico e acido cloridrico durante la cromatazione e l'esposizione a fumi di saldatura e fumi dovuti al riscaldamento del composto sigillante. La meccanizzazione del processo di cromatazione, l'uso di guanti e LEV per la termosaldatura e la saldatura sono precauzioni adeguate.

Batterie al nichel-cadmio

Il metodo più comune oggi per realizzare elettrodi di nichel-cadmio consiste nel depositare il materiale dell'elettrodo attivo direttamente in un substrato di nichel sinterizzato poroso, o piastra. (Vedi figura 3.) La piastra viene preparata premendo una pasta di polvere di nichel di qualità sinterizzata (spesso prodotta dalla decomposizione del nichel carbonile) nella griglia aperta di lamiera d'acciaio perforata nichelata (o garza di nichel o garza di acciaio nichelato) e quindi sinterizzazione o essiccazione in forno. Queste lastre possono poi essere tagliate, pesate e coniate (compresse) per scopi particolari o arrotolate a spirale per celle di tipo domestico.

Figura 3. Produzione di batterie al nichel-cadmio

La placca sinterizzata viene quindi impregnata con soluzione di nitrato di nichel per l'elettrodo positivo o nitrato di cadmio per l'elettrodo negativo. Queste placche vengono risciacquate e asciugate, immerse in idrossido di sodio per formare idrossido di nichel o idrossido di cadmio e lavate e asciugate nuovamente. Di solito il passaggio successivo consiste nell'immergere gli elettrodi positivo e negativo in una grande cella temporanea contenente dal 20 al 30% di idrossido di sodio. Vengono eseguiti cicli di carica-scarica per rimuovere le impurità e gli elettrodi vengono rimossi, lavati e asciugati.

Un modo alternativo per realizzare elettrodi di cadmio consiste nel preparare una pasta di ossido di cadmio mescolato con grafite, ossido di ferro e paraffina, che viene macinata e infine compattata tra i rulli per formare il materiale attivo. Questo viene quindi pressato in una striscia di acciaio perforata in movimento che viene essiccata, a volte compressa e tagliata in lastre. Le alette possono essere attaccate in questa fase.

I passaggi successivi riguardano l'assemblaggio di celle e batterie. Per batterie di grandi dimensioni, i singoli elettrodi vengono quindi assemblati in gruppi di elettrodi con piastre di polarità opposta interfogliate con separatori di plastica. Questi gruppi di elettrodi possono essere imbullonati o saldati insieme e collocati in un involucro di acciaio nichelato. Più recentemente sono stati introdotti gli involucri delle batterie in plastica. Le celle sono riempite con una soluzione elettrolitica di idrossido di potassio, che può contenere anche idrossido di litio. Le celle vengono quindi assemblate in batterie e imbullonate insieme. Le celle di plastica possono essere cementate o fissate insieme. Ogni cella è collegata con un connettore di piombo alla cella adiacente, lasciando un terminale positivo e negativo alle estremità della batteria.

Per le batterie cilindriche, le piastre impregnate vengono assemblate in gruppi di elettrodi avvolgendo gli elettrodi positivo e negativo, separati da un materiale inerte, in un cilindro stretto. Il cilindro dell'elettrodo viene quindi posto in una custodia metallica nichelata, viene aggiunto l'elettrolita di idrossido di potassio e la cella viene sigillata mediante saldatura.

La reazione chimica coinvolta nella carica e scarica delle batterie al nichel-cadmio è:

La principale esposizione potenziale al cadmio si verifica dalla manipolazione del nitrato di cadmio e della sua soluzione durante la produzione di pasta dalla polvere di ossido di cadmio e la manipolazione delle polveri attive essiccate. L'esposizione può verificarsi anche durante il recupero del cadmio dalle lastre di scarto. La chiusura e la pesatura e la miscelazione automatiche possono ridurre questi rischi durante le prime fasi.

Misure simili possono controllare l'esposizione ai composti del nichel. La produzione di nichel sinterizzato da nichel carbonile, sebbene effettuata in macchinari sigillati, comporta una potenziale esposizione a nichel carbonile e monossido di carbonio estremamente tossici. Il processo richiede un monitoraggio continuo per le perdite di gas.

La manipolazione di potassio caustico o idrossido di litio richiede un'adeguata ventilazione e protezione personale. La saldatura genera fumi e richiede LEV.

Effetti sulla salute e modelli di malattia

I rischi per la salute più gravi nella produzione di batterie tradizionali sono l'esposizione a piombo, cadmio, mercurio e biossido di manganese. I pericoli del piombo sono discussi altrove in questo capitolo e Enciclopedia. Il cadmio può causare malattie renali ed è cancerogeno. L'esposizione al cadmio è risultata essere diffusa negli stabilimenti statunitensi di batterie al nichel-cadmio e molti lavoratori hanno dovuto essere rimossi dal punto di vista medico in base alle disposizioni del Cadmium Standard dell'Amministrazione per la sicurezza e la salute sul lavoro a causa degli alti livelli di cadmio nel sangue e nelle urine (McDiarmid et al. 1996) . Il mercurio colpisce i reni e il sistema nervoso. L'eccessiva esposizione ai vapori di mercurio è stata dimostrata in studi su diversi impianti di batterie al mercurio (Telesca 1983). È stato dimostrato che le esposizioni al biossido di manganese sono elevate nella miscelazione e manipolazione di polveri nella produzione di pile a secco alcaline (Wallis, Menke e Chelton 1993). Ciò può provocare deficit neurofunzionali nei lavoratori in batteria (Roels et al. 1992). Le polveri di manganese possono, se assorbite in quantità eccessive, portare a disturbi del sistema nervoso centrale simili alla sindrome di Parkinson. Altri metalli preoccupanti includono nichel, litio, argento e cobalto.

Le ustioni cutanee possono derivare dall'esposizione a soluzioni di cloruro di zinco, idrossido di potassio, idrossido di sodio e idrossido di litio utilizzate negli elettroliti delle batterie.

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