Elettrolisi

LA BATTERIA AL LITIO

Le batterie realmente utilizzate sono quelle agli ioni litio.

È una scoperta recente perchè i metalli alcalini sono molto reattivi, quindi tendenzialmente il litio

sta in fondo alla scala del potenziale di riduzione, vuol dire che l’elettrone lo perde facile e uno

può immaginare che questa cosa possa essere sfruttata.

In acquò però questi metalli alcalini non possono stare, perchè la loro reazione è pericolosissima

perchè si libera idrogeno.



 ff

Pensare di usare il litio per quanto sia attraente perchè sta in basso alla scala, realizzi un

dispositivo che potenzialmente ha una fora elettromotrice notevole, infatti le nostre pile al litio

hanno una forza elettromotrici di circa 3 V anche di più.

Si deve fare qualcosa di particolare: CoO

Ossido di Co 2

Gra te LiCoO

2

CoO

Ci sono 2 elettrodi uno di gra te e uno di ossido di cobalto , molti solidi hanno questa

2

struttura a strati tipo la gra te. Il litio può stare su entrambi questi elettrodi si quello di gra te che

è il polo negativo, sia l’ossido di cobalto che risulta il polo positivo.

La situazione è anomale non c’è una vera e propria reazione chimica ed è questo il motivo per cui

la batteria è così.

C’è poca chimica nelle batterie, non avviene un processo in cui si ha una trasformazione e ettiva

come per il piombo che diventava solfato di piombo, quindi litio rimane sempre litio e viene

ospitato in queste 2 diverse strutture, le quali è come se fossero imbevute di litio solo che qui

quando il litio entra quello è l’ossido, e il cobalto si riduce da cobalto 4 a cobalto 3, la cosa non è

sempre perfetta non c’è una vera e proprio stechiometria corretta, nel senso che la quantità di litio

che viene inglobata non è pari al cobalto presente.

Questa vicenda in cui qualcosa è in grado di entrare in una struttura a strati, questa viene

chiamata intercalazione e s i mettono tra gli strati, qui il litio sarebbe l’intercalante e quando va

nella gra te tende a perdere l’elettrone, viceversa con l’ossido di cobalto è disposto a prenderseli.

A seconda dell’ambiente la situazione cambia e questo processo deve essere spontaneo, come

nel caso della pila Daniell, l’elettrone non vuole più stare insieme ala litio e alla gra te, vuole stare

dall’altro lato.

Gli elettrodi devono essere già carichi per cui man mano quella funziona perfettamente.

Non è che l’elettrodo sia perfetto infatti si sta cercando, la gra te sembra insostituibile mentre per

l’ossido di combatto si stanno cercando sostituti.

Non è un ruolo passivo e dipende da come sono le interazioni quando il litio si mette là in mezzo.

Lì in mezzo c’è sempre la pappa, l’elettrolito non deve assolutamente essere acquoso e anche su

di essa ci sono varie funzioni.

La pappa è un polimero che aiuta la conduzione discretamente, consente il movimento degli ioni

e quindi di fare la pila.

Quando la pila deve essere ricaricata mettiamo dall’esterno la presa nella corrente e gli elettroni

vanno nel verso opposto, la freccia canonica va dall’ossidazione alla riduzione, questa è pila

quando funziona da erogatrice di corrente elettrica.

Questo è un dispositivo reversibile perchè non succede nulla di diverso, non ci sono prodotto

chimici che si mescolano e rendono impossibile la reversibilità, però a furia di entrare e uscire la

gra te si rovina.

L’ingresso e l’uscita creano attrito che rende nel tempo la super cie dell’elettrodo rovinata.

 fi fi fi  fi fi  fi fi fi fi ff

Dato che il litio somiglia tanto al sodio, l’ideale sarebbe fare una batteria a ioni sodio, perchè di

sodio ne abbiamo in abbondanza a di erenza del litio.

Il litio è più piccolo è circa 0.7Å, mentre il sodio è più grande, circa 1Å, questa piccolissima

di erenza conta. L’ELETTROLISI

Elettrolisi signi ca che realizzo la separazione, lo scioglimento attraverso a correnti di elettroni.

L’elettrolisi ha questa caratteristica, si può fare in presenza di acqua o in assenza di acqua, quindi

in soluzioni acquoso oppure in soluzioni non acquosa cioè sali fusi.

Sale fuso signi ca che il sale non è più solido, bisogna stare a temperature molto elevate, ad

esempio NaCl, noi lo vediamo come sale fuso senza nient’altro.

Per fare questo bisogna fonderlo e per fare questo bisogna stare alti di temperatura, l’elettrolisi di

sali fusi è qualcosa che si realizza ad altissime temperature, c’è da spendere un sacco di energia,

non solo per la parte elettrochimica in senso stretto, quanto per tenere fuso il sale, la corrente

deve circolare, dobbiamo avere gli ioni.

Se abbiamo 2 elettrodi, in questo caso + e — sono rovesciati,

+

Na

perchè dobbiamo sempre fare una riduzione, lo ione se spingo

dall’esterno tenderà a ridursi all’elettrodo dove ci sono gli elettroni

quello che ho chiamato —, quindi avviene la riduzione e ottengo il

sodio, dall’altra parte avverrà l’ossidazione.

Ci vuole una pila a nché questo accada, questa dovrà generare una

di erenza di potenziale che farà in modo che questo abbiamo

potenziale positivo e l’altro negativo e la pila (generatore di corrente)

la facciamo funzionare noi e forza gli elettroni e questo consente al

sodio di ridursi e al cloruro di ossidarsi, questa è l’elettrolisi, noi

spendiamo un sacco di energia perchè possiamo prendere la scala

di potenziale di riduzione e leggiamo il potenziale del sodio e quello + −

2Na + e → Na

del cloro e sappiamo qual è la di erenza di potenziale minima che la

mia batteria deve erogare a nché possa avvenire questa reazione

che in realtà è sfavorita.

Il fatto che un processo chimico non sia spontaneo è un fatto, altro fatto è la capacità che

realizzando qualcosa, spendendo lavoro fa avvenire anche un processo non spontaneo. Noi

siamo così capaci di realizzare molte cose non spontanee.

Dato che qui sono le azioni coinvolte dagli elettroni è chiaro che potenzialmente se io inserisco un

generatore di tensione questo farà avvenire la reazione non spontanea che consenta agli elettroni

di fare quello che è necessario.

Alla super cie dell’elettrodo ci sono gli elettroni che quando gli ioni sodio vanno a sbattere si

fregano gli elettroni, lo ione cloruro cede l’elettrone e si libera il gas.

Il sale fuso deve stare a temperature alte 600/700°C.

L’elettrolisi da sali fusi si fa solo quando strettamente necessario, quando non sappiamo fare di

meglio.

Tutta la parte di elettrolisi è tutta industriale. Al O

Noi l’alluminio lo facciamo così, l’ossido di alluminio è tra le sostanze più dure e resistenti,

2 3

in acqua viene chiamata allumina, fonde verso i 2000°C, anche gli allumino silicati sono resistenti

al calore.

L’ossido di alluminio non si riesce a far diventare Al come per l’ossido di ferro perché questo lo

annoveriamo a circa 1000°C, qua bisogna andare al di sopra e questo impossibile con la

metallurgia tradizionale.

ALCOA è la fondazione di colui che per primo riuscì a fondare l’alluminio.

 ff

ff fi fi fi ffi ffi ff ff  

L’alluminio non si scioglie in acqua, non possiamo usare soluzione acquose, questa fondazione

Na AlF

ha scoperto che l’alluminio si fonde in uno strano sale la criolite fuso a circa 100°C, in

3 6

questa pappa se prendiamo l’allumina questa si scioglie. 3+

Al

Abbiamo una soluzione molto calda in cui l’alluminio esiste come e si possono fare delle

cose. Al O

La bauxite è un ossido strano di alluminio che va molto lavorato e diventa , non è proprio

2 3

pura, l’ossido di alluminio viene buttato insieme alla criolite:

3+ −

Al + 3e → Al

2−

O + e → CO

2

acciaio 3+

Al O Al

Abbiamo la criolite, dentro c’è , lo ione reagisce con il polo positivo che è il fondo di

2 3

questa pentola che è un fondo di acciaio, è pendente perchè quando l’alluminio si forma, sul

fondo laddove avviene la reazione di riduzione, l’alluminio metallico è liquido e se è pendente man

mano che si forma fuoriesce.

Viceversa l’ossigeno reagisce con questi elettrodi messi a varie altezze, l’ossigeno sei mangia

CO

perchè sono di gra te, l’ossigeno reagisce con il carbonio e si forma , la quale se ne va,

2

CO

hanno pensato che questa scelta è ottimale, la è un gas non combustibile, la situazioni non è

2

banale e potrebbe succedere qualcosa.

È una scelta per stare tranquilla perchè è una reazione terribile, ma comunque si fa nonostante si

mangia una quantità mostrata di energia elettrica perché l’alluminio ha un potenziale negativo.

L’allumina in acqua non si scioglie, si formano ossi di alluminio che sono poco solubili ma non

servono per fare la reazione, quindi l’alluminio è un metallo prezioso ma siccome si presta a una

reazione spinta. SODA-CLORO

Il processo più leggendario di elettrolisi è quello SODA-CLORO, è un processo molto importante

perchè noi usiamo sia il cloro sia la soda sia qualche altra cosa che si potrebbe ottenere.

Soda-cloro è uno di quei classici processi industriali anche producono più di una cosa che ci

serve. NaOH

Il processo di prima prove solo alluminio, qui voglio sia la soda che è la base per

eccellenza, sia il cloro che si usa per fare un sacco di reazioni.

NaCl

Soda-cloro è un processo che usa in acqua non fuso, in acqua le specie sono 4, abbiamo:

+ + − −

H O , Na , Cl , OH , questo è il problema dell’acqua:

3





 fi         

+ −

H OH

Abbiamo sempre detto che e sono poco poco presenti quando non ci mettiamo la pila,

quando facciamo l’elettrolisi dell’acqua, succede che vale Le Chatelier, se li abbiamo poco in

+ −

H H OH O

acqua e ce li mangiamo perchè diventa e diventa alla ne, facciamo l’elettrolisi,

2 2

spostiamo l’equilibrio verso i prodotti, man mano che mangiamo i reagenti l’acqua continua a

dissociarsi quindi l’elettrolisi non è spontanea, ma io la forzo, perché dall’esterno continuo

+ −

H OH

metterci enervi, il sistema si muove, e vengono continuamente prodotti e io ottengo

idrogeno e ossigeno.

Quan