Una batteria ricaricabile (detta anche cella secondaria o accumulatore) è un dispositivo elettrochimico che, a differenza di una batteria primaria (pila) usa e getta, può essere caricata e scaricata molte volte. Il termine "accumulatore" viene utilizzato in quanto il dispositivo accumula e immagazzina energia attraverso una reazione elettrochimica reversibile.

Le batterie ricaricabili sono prodotte in molte forme e dimensioni, dalle piccole celle a bottone ai grossi sistemi collegati per stabilizzare una rete di distribuzione elettrica e capaci di erogare diversi megawatt. Per gli elettrodi ed elettroliti vengono utilizzate diverse combinazioni di materiali, tra cui piombo-acido, zinco-aria, nichel-cadmio (NiCd), nichel-metallo idruro (NiMH), ioni di litio (Li-ion), litio ferro fosfato (LiFePO4) e polimero agli ioni di litio (Li-ion polymer).

Descrizione generale Nelle batterie ricaricabili la carica può essere completamente ristabilita mediante l'applicazione di un'adeguata energia elettrica. Le caratteristiche fondamentali di queste batterie sono la tensione elettrica ai morsetti (espressa in volt) e la capacità elettrica (espressa in ampere-ora).

Quando una batteria fornisce energia elettrica ad un circuito esterno come torce elettriche, smartphone o veicoli elettrici (processo di scarica), il terminale positivo è chiamato catodo ed il terminale negativo è chiamato anodo; quest'ultimo terminale fornisce elettroni al circuito esterno generando ioni. Simultaneamente questi ioni di carica positiva si distaccano dall'anodo e si spostano all'interno della batteria attraverso l'elettrolita per raggiungere il catodo, dove completano la reazione chimica, generalmente acquisendo nuovamente elettroni dal circuito esterno. Il processo di carica delle batterie secondarie avviene in senso opposto. In particolare, durante la carica, i suddetti ioni nel catodo perdono elettroni che vengono quindi trasportati attraverso circuito esterno. Nella carica gli ioni si trasferiscono all'interno della batteria dal catodo all'anodo, dove infine si neutralizzano acquisendo elettroni dal circuito esterno. Il funzionamento delle batterie è stato paragonato a quello di una "sedia a dondolo" dove gli ioni si spostano da un elettrodo all'altro a seconda se il processo è di scarica o di carica.

Alcuni tipi di batterie ricaricabili sono suscettibili di danni dovuti a una scarica completa (Pb, Li-ion) mentre altre devono essere ciclicamente scaricate onde evitare un rapido degrado delle prestazioni (effetto memoria in inglese lazy battery, isteresi). Tentare di ricaricare batterie non-ricaricabili (primarie) può provocare un pericoloso surriscaldamento dell'elettrolita fino a provocarne la fuoriuscita o l'esplosione.

Denominazione L'utilizzo comune e spesso improprio dei termini celle, pile, batterie, accumulatori e sistemi di accumulo può essere oggetto di ambiguità; segue una lista in cui si chiarisce il significato dei termini.

Cella Sono propriamente "celle" i singoli elementi, in origine solo galvanici, quindi elettrochimici, in grado di erogare energia elettrica; distinguendoli tra celle secondarie (ricaricabili) e celle primarie (non ricaricabili). Il termine "cella" a volte viene esteso anche ad altri dispositivi elettrochimici in grado di erogare energia elettrica, come per esempio le celle a combustibile. Pila Al collegamento in serie di più celle sovrapposte è stato attribuito il termine "pila", dall'originaria pila di Volta; in genere non viene usato per definire una batteria ricaricabile ma solo per i dispostivi usa e getta (vedi pila). Batteria Ad altre combinazioni di più celle è stato attribuito il termine più comune di "batteria", che oltre ad essere utilizzato indifferentemente come il termine "pila" nei piccoli formati non ricaricabili, può denotare anche singoli elementi e venire attribuito anche ad accumulatori non elettrochimici.Spesso nel linguaggio comune vengono chiamate batterie anche gli accumulatori o le pile costituiti da un'unica cella. Accumulatore/sistema di accumulo elettrico Il termine "accumulatore" si applica solo all'accumulo ricaricabile,In lingua inglese il termine accumulatore (accumulator) è considerato arcaico e può essere utilizzato anche riferendosi ad accumulatori di altre forme di energia che non vengono riconvertite in energia elettrica. quelle comunemente chiamate batterie ricaricabili sono specificatamente accumulatori elettrici o più precisamente elettrochimici. Quando l'accumulatore elettrico è di grandi dimensioni, non trasportabile o complesso, specialmente riferendosi alle grandi reti elettriche e all'immagazzinamento di energia, si tende ad utilizzare l'espressione "sistema di accumulo elettrico".

Tipi Esistono vari tipi di batterie ricaricabili, con diverse capacità elettriche, differenti composizioni chimiche, forma e dimensioni, tra cui: Batteria piombo-acido: comunemente usata negli autoveicoli, nei sistemi d'allarme e anti-black out. Di solito impiegata come "A" o batteria "umida" in apparecchiature radio a valvola. Il maggior vantaggio di quella chimica è il suo basso costo: una batteria grande (es. 70 Ah) è relativamente economica, se confrontata alle altre chimiche. Comunque, questa batteria chimica ha meno densità d'energia delle altre batterie chimiche conosciute oggi (vedi sotto). Batteria al piombo-AGM Batteria al piombo-Gel Batteria agli ioni di litio (Li-Ion): pila chimica relativamente moderna che offre una densità di carica molto alta (una piccola batteria Li-ion conta molta energia elettrochimica) e che non soffre di effetto memoria. Sono largamente utilizzate in sistemi laptop, macchine fotografiche digitali, alcuni lettori mp3 e la maggior parte dei dispositivi digitali portatili. Batteria agli ioni di litio-polimero (Li-Po): presenta proprietà simili alla pila Li-ione, ma una densità di carica leggermente inferiore. La differenza è che usa polimeri come elettrolita che in teoria dovrebbe garantire una maggiore sicurezza nel caso in cui la batteria dovesse essere esposta ad aria o acqua. Può essere facilmente adattata alle caratteristiche di oggetti particolari, come le batterie ultra sottili (1 mm di spessore) degli ultimi PDA. Se costruita appositamente è capace di erogare molta più energia delle batterie Li-ione, ed è quindi usata spesso negli aeromodelli elettrici. Batteria al litio-zolfo (Li-S): il catodo di questa batteria è generalmente composto da zolfo misto ad un materiale elettronicamente conduttivo (ad esempio carbone) e l'anodo è composto da litio metallico. Se nelle batterie al litio tradizionali, gli ioni di litio si spostano da un elettrodo all'altro, in questa batteria il litio reagisce con lo zolfo in una reazione chimica a multi stadi emettendo un'alta quantità di energia elettrica. Il vantaggio di questo tipo di batterie è che in teoria sono leggere (in quanto lo zolfo è molto più leggero dei materiali pesanti normalmente utilizzati nelle tradizionali batterie al litio) e la quantità di energia elettrica che idealmente potrebbe emettere è molto alta. Batteria al litio-ferro-fosfato (LiFePO4): il catodo di questa batteria è generalmente composto da litio-ferro-fosfato. Batteria litio-titanato (LTO): hanno il vantaggio di una ricarica rapida Batteria al litio-ossido di cobalto (LiCo2O4): utilizza il litio-ossido di cobalto come materiale catodico Batteria al litio-ossido di manganese (LiMn2O4): utilizza il litio-ossido di manganese come materiale catodico Batteria al litio-aria: il catodo di questa batteria è generalmente composto da ossigeno (che può essere prelevato dall'aria) e l'anodo è composto da litio metallico. Se nelle batterie al litio tradizionali, gli ioni di litio si spostano da un elettrodo all'altro, in questa batteria il litio reagisce con l'aria in una reazione chimica emettendo un'alta quantità di energia elettrica. Il vantaggio di questo tipo di batterie è che in teoria sono leggere (in quanto il catodo è semplicemente costituito dall'aria e quindi la mancanza di questo componente rende il peso della batteria più leggero rispetto alle batterie tradizionali al litio) e la quantità di energia elettrica che idealmente potrebbe essere la più alta tra tutte le tecnologie di batterie. In particolare la densità di energia delle batterie al litio aria è comparabile a quella della benzina, quindi a parità di volume l'energia erogata da un autoveicolo elettrico è simile a quella di un autoveicolo a combustione. Batteria al nichel (Ni) Batterie nichel-cadmio (Ni-Cd): impiegate in molte applicazioni domestiche, stanno oggi scomparendo in quanto surclassate dalle pile Li-ion e NiMH. Con questa pila si può ottenere un alto numero di cicli di ricarica (oltre 1500) ma a discapito della densità di carica, rispetto alle più attuali batterie. Le celle al Ni-Cd che utilizzano tecnologia antiquata risentono di "effetto memoria", anche se in quelle più moderne questo effetto è stato notevolmente ridotto. Inoltre il cadmio è un metallo pesante e tossico. Batteria nichel-metallo idruro (NiMH): derivanti dalle Ni-Cd in cui, al posto del cadmio ci sono leghe metalliche Batteria nichel-metallo idruro (NiMH) a bassa autoscarica Batteria nichel-zinco (Ni-Zn) Batterie nichel-ferro (Ni-Fe) Altre batterie: Batteria alcalina Batteria zinco-aria Batteria sodio-zolfo Batteria sodio-metallo cloruro Batteria a sale fuso Batteria argento-zinco: fu il dispositivo a più alta densità di energia (precedentemente allo sviluppo delle tecnologie al litio) e il suo utilizzo primario riguardò l'ambito aeronautico. L'aumento mondiale dei prezzi dell'argento rese l'utilizzo di questa batteria non più conveniente. Fu utilizzata per le ultime missioni lunari Apollo. Attualmente la si usa ancora sui sottomarini diesel-elettrici, quali il tipo U-212.

Il primo accumulatore fu quello acido al piombo, inventato nel 1859. Tuttavia fino all'invenzione della dinamo (1869) esso fu piuttosto inutile come accumulatore dato che l'unico modo per ricaricarlo sarebbe stato tramite altre pile; veniva usato solo come fonte di elettricità (perlopiù per il telegrafo), tramite sua creazione fisica (lastre di piombo immerse in acido solforico) e smaltimento del solfato di piombo una volta esaurita la carica.

Batterie ricaricabili di uso comune Nella vita di tutti i giorni utilizziamo solo alcuni tipi di batterie ricaricabili, generalmente nei formati standard AAA, AA, C, D. I notebook, i telefoni cellulari, i lettori musicali ecc. utilizzano più spesso batterie in formati non standard e tecnologicamente più evolute. Tutte le automobili con motore a combustione interna ospitano una grossa batteria ricaricabile al piombo-acido, utilizzata principalmente per l'avviamento del motore e occasionalmente per l'alimentazione dell'impianto elettrico a motore spento; questa batteria viene ricaricata, tramite un alternatore (azionato dal motore) collegato ad un gruppo raddrizzatore-regolatore di tensione, a 14,4 V (12 V nominali).

Le macro-categorie principali sono le seguenti: Batteria al Piombo: comprendono le AGM, GEL Batteria al Nichel: comprendono Ni-Cd, NiMH Batteria al Litio: comprendono Li-Ion, Li-Po, LiFePO4, Li-S, Li-Mn2-O4

Batteria piombo-acido

La batteria piombo-acido è il costituente fondamentale dei comuni accumulatori per auto. La differenza di potenziale (∆E) a circuito aperto e a piena carica ai poli di una singola cella piombo-acido è di 2,12 V; gli accumulatori per automobili sono costituiti da sei celle piombo-acido in serie, che generano una differenza di potenziale complessiva di 12,70 V. Tali valori scendono, poco dopo il funzionamento, a 2,0 V (singola cella) e 12 V (sei celle).