Batterie nichel-cadmio

Le batterie nichel-cadmio, introdotte a cavallo tra il XIX e il XX secolo, sono dispositivi che producono corrente continua in base alla reazione chimica tra le sostanze coinvolte che hanno sostituito le batterie al piombo guadagnando popolarità negli ultimi anni grazie alle loro proprietà e vantaggi. Le batterie nichel–cadmio furono inventate dall’ingegnere svedese Ernst Waldemar Jungner nel 1899.

Il sistema di batterie nichel-cadmio utilizza ancora lo stesso elettrodo positivo di quello al nichel-ferro, mentre l’elettrodo negativo è al cadmio. La tensione massima della cella durante la carica è 1.3  V e la tensione media della cella è 1.2  V

Le batterie al piombo costituirono una novità nella storia delle batterie per la possibilità di essere ricaricate ma presentavano svantaggi per la presenza di acido solforico potenzialmente dannoso per l’ambiente e anche per la presenza del piombo. Presentano inoltre bassa efficienza di ricarica, perché tale dispositivo necessita di una energia  di ricarica superiore rispetto a l’energia che può erogare e tale surplus energetico serve per portare a gassificazione la soluzione elettrolitica contenuta al suo interno.

Per tali ragioni la ricerca si è spinta in avanti e nel corso del XX secolo, la storia delle batterie si evolve e la ricerca ha portato ad una vasta gamma di accumulatori con tecnologie differenti che sfruttano chimiche differenti. Si annoverano tra queste le batterie nichel-cadmio

Proprietà delle batterie nichel-cadmio

Rispetto alle batterie al piombo le batterie nichel-cadmio presentano molti vantaggi in quanto sono più resistenti alle temperature estreme da −30 a +50  °C , quindi possono essere utilizzate in una gamma più ampia di ambienti e inoltre possono immagazzinare più energia per unità di peso rispetto alle batterie al piombo.

Le batterie nichel-cadmio hanno meno probabilità di autoscaricarsi, quindi possono essere conservate per periodi più lunghi senza perdere la carica e di essere caricate più velocemente delle batterie al piombo. Hanno un ciclo di vita più lungo che può arrivare fino a 15-20 anni, a seconda dell’ambiente e dell’utilizzo.

Hanno anche un’elevata velocità di scarica e ciò implica che possono rilasciare energia più velocemente e, a causa dell’assenza di piombo, sono meno dannose per l’ambiente sebbene la presenza del 18% di cadmio che è uno tra i metalli pesanti tossico per gli organismi ne abbia limitato l’utilizzo.

Inoltre le batterie nichel-cadmio soffrono di effetto memoria a meno di non essere sottoposte a fasi di scarica complete e periodiche; esse infatti sembrano “ricordare” la quantità di scarica per le scariche precedenti, limitando quindi la durata di ricarica della batteria.

L’effetto memoria descrive la perdita della capacità di una batteria di fornire la sua piena capacità alla sua tensione normale in cicli regolari e superficiali, senza una scarica completa. La capacità rimanente che non è stata utilizzata regolarmente sarà disponibile, ma a una tensione inferiore. Si ritiene che la causa di questo effetto memoria sia dovuta alla formazione di grandi cristalli nell’elettrodo di cadmio in presenza di un’ampia superficie di nichel metallico .

Reazioni

In una batteria nichel-cadmio, il catodo è costituito da ossido idrossido di nichel e l’anodo è costituito da cadmio metallico. Come elettrolita tra i due elettrodi viene utilizzata una soluzione acquosa alcalina costituita da idrossido di potassio. Hanno solitamente un involucro metallico con una piastra sigillante dotata di valvola di sicurezza autosigillante nei dispositivi portatili.

Durante il ciclo di scarica, l’idrossido di nichel è il materiale attivo dell’elettrodo positivo e l’idrossido di cadmio è il materiale attivo dell’elettrodo negativo mentre durante il ciclo di carica, l’ossido idrossido di nichel è il materiale attivo dell’elettrodo positivo e il cadmio metallico è il materiale attivo dell’elettrodo negativo.

In una batteria nichel-cadmio si ha la conversione di energia chimica in energia elettrica durante la scarica e di conversione di energia elettrica in energia chimica durante la carica

Le semireazioni che avvengono nella fase di carica sono:
2 NiO(OH) + 2 H₂O + 2 e^– → 2 Ni(OH)₂ + 2 OH^–
Cd + 2 OH^– → Cd(OH)₂ + 2 e^–

Pertanto la reazione complessiva è:
2 NiO(OH) + Cd + 2 H₂O → 2 Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂

Una complicazione deriva dalla formazione di ossigeno gassoso al catodo durante la carica della cella infatti circa l’ 80% di carica, l’ossigeno viene generato dalla reazione:
4 OH^– →2 H₂O + O₂ + 4 e^–

Usi

Le batterie nichel-cadmio hanno un potenziale nominale di 1.2 Volt, quindi sono necessarie 10 celle per realizzare una batteria da 12 Volt. Nonostante lo sviluppo di nuovi sistemi elettrochimici, le batterie sigillate rimangono ancora ampiamente utilizzate in numerose applicazioni portatili, come applicazioni ad alta potenza come utensili elettrici, per usi di emergenza e strumentazioni mediche.

Le  batterie industriali al nichel-cadmio sono utilizzate sia per gli aerei civili che militari e come energia di riserva nelle ferrovie e nelle metropolitane garantendo che la frenata di emergenza, l’illuminazione, il riscaldamento, l’aria condizionata e la comunicazione conducente-passeggero rimangano inalterate in caso di guasto della fonte di alimentazione principale.

Nell’ambito dell’economia circolare i produttori di batterie industriali al nichel-cadmio hanno sviluppato una vasta rete di società che si occupano di riciclare tutte le batterie usate e il risultato di questo processo di riciclaggio viene utilizzato per produrre nuove batterie. Da una tonnellata di batterie usate a base di nichel restituite per il riciclaggio, oltre 750 kg di materiali preziosi vengono estratti e riutilizzati dall’industria.