Cosa causa il sovraccarico di una batteria?

Dipende dalla batteria. Ciò che è universale è che tutti i processi di carica delle batterie implicano una reazione chimica che immagazzina l'energia in entrata nella batteria. Il processo di scarica è la reazione inversa per generare energia. Le batterie al litio sono un po' diverse in quanto il loro processo di carica può essere pensato come 'immagazzinamento di ioni' ma ai fini di ciò che sovraccarica una batteria, possiamo pensare che sia la stessa cosa.

Perciò per capire il sovraccarico, capiamo prima la carica. Di solito applichiamo una tensione superiore alla chimica della batteria come mezzo per "spingere" l'energia nella batteria. Per una batteria al piombo, la tensione della cella è di circa 2V; per il nichel-metallo idruro è di circa 1,2V, per il litio è tra 3,7 e 4,2V, ecc.

Quello che succede quando "spingiamo" energia nella cella è chimicamente diverso per ogni tipo di cella, quindi anche quello che succede quando si sovraccarica è diverso. Ma in generale, se si spinge l'energia oltre la capacità della batteria di assorbire, ci sono vari guasti all'interno della batteria. In un certo senso, si può pensare che sia come mangiare troppo; si può continuare a mangiare finché non si è sazi, ma una volta che si è sazi, se si continua a riempirsi di cibo, succedono cose brutte, ma ciò che esattamente sono queste cose dipende da quale specie si è.

Guardiamo un esempio di batterie al piombo. Qualsiasi tensione oltre la tensione chimica di base (~2V) caricherà la batteria, se è scarica. Se una cella è scarica, possiamo applicare qualsiasi tensione più alta (3 o anche 4V), e la batteria semplicemente "succhierà" l'energia attraverso il flusso di corrente; più alta è la tensione che applichiamo più alta è la corrente, ma finché c'è un'alta corrente che scorre, la tensione non ha molta importanza perché quella corrente viene assorbita dalla batteria. Questo è ciò che permette di caricare velocemente una batteria al piombo. Man mano che l'energia riempie il serbatoio interno, la corrente si riduce (come noi rallentiamo la nostra alimentazione quando ci riempiamo quando mangiamo). Se la batteria raggiunge un punto in cui l'applicazione di circa 2,5-2,6 V non genera un flusso di corrente significativo, la batteria è ora carica. La cosa interessante delle batterie al piombo è che possono perpetuamente tollerare un piccolo flusso di corrente a quel livello, quindi non si può sovraccaricarle finché non si supera quella tensione sui loro terminali (questo è ciò che permette alle batterie al piombo di rimanere su un caricatore di mantenimento). Ma se si applica una tensione più alta a una batteria carica, la si "sovraccarica". Questo provoca l'elettrolisi (il buon vecchio esperimento del liceo in cui si collega l'elettricità a due fili di matita immersi in acqua salata e si generano idrogeno e ossigeno su ciascun 'terminale'). Nella batteria, questi gas (ossigeno e idrogeno) si accumulano e se la batteria è sigillata, si sfogheranno, ma il gas esteso distruggerà l'anodo/catodo; nelle batterie non sigillate (come nelle vecchie auto), si può aggiungere liquido e in qualche modo 'sistemare' questo, ma un eccessivo sovraccarico finirà per distruggere l'anodo e il catodo anche lì, causando danni permanenti.

Le batterie al litio sono molto più divertenti. Hanno questa interessante proprietà che quando si riscaldano abbastanza, si innesca una reazione chimica interna che produce più calore, che provoca più reazione che a sua volta provoca più calore; questo è il tipo di proprietà che si desidera quando si costruiscono esplosivi, ma lo si ottiene convenientemente qui nella batteria del portatile, pulito eh? Applichi una tensione superiore alla loro chimica e la corrente scorrerà e comincerà a riempire il loro serbatoio interno. Ci preoccupiamo della quantità di corrente perché una corrente troppo alta creerà troppo calore che non vogliamo (vedi sopra). Allo stesso modo quando scarichiamo, e ogni volta che la corrente scorre, genererà un po' di calore (gambe calde mentre si guarda Netflix su un portatile?) Ma ci interessa anche che la batteria superi il livello chimico di base (4.2V) perché se continuiamo a spingere energia in una batteria carica, quell'energia si trasforma in calore! Come abbiamo stabilito, questo non va bene. Ecco perché non vogliamo sovraccaricare una batteria al litio.

Ora, prima che tu vada a casa e chiami gli artificieri per disarmare la batteria del tuo portatile, le proprietà che ho descritto sono tipiche delle batterie ai polimeri di litio (ed è per questo che ci sono regolamenti complessi sul loro trasporto sugli aerei o sulla loro spedizione). Le batterie agli ioni di litio non sono così esotermiche (la cosa infinita del calore che genera reazione, che genera calore). Ma si romperanno internamente se sovraccaricate, e queste ventose possono essere costose!

Ultima cosa da tenere a mente, quello che sto descrivendo sopra è caricare la cella grezza. La maggior parte delle 'batterie' non sono 'celle grezze, contengono circuiti che monitorano la tensione della batteria, la corrente in/out e la temperatura e disconnettono le celle interne se le cose non sembrano a posto. Questo è anche il motivo per cui la maggior parte dei caricabatterie per gadget non sono altro che alimentatori non regolati; la gestione effettiva del processo di carica è fatta nella batteria stessa, poiché questo è l'unico modo per prevenire i tipi di scenari che ho descritto prima.