Bateria de chumbo-ácido
PlacasEditar
A célula de chumbo-ácido pode ser demonstrada utilizando placas de chumbo em folha para os dois eléctrodos. No entanto, tal construção produz apenas cerca de um ampere para placas aproximadamente do tamanho de cartão postal, e durante apenas alguns minutos.
Gaston Planté encontrou uma forma de proporcionar uma área de superfície eficaz muito maior. No desenho da Planté, as placas positivas e negativas foram formadas de duas espirais de folha de chumbo, separadas com uma folha de tecido e enroladas. As células inicialmente tinham baixa capacidade, por isso foi necessário um processo lento de “formação” para corroer as folhas de chumbo, criando dióxido de chumbo nas placas e tornando-as rugosas para aumentar a área de superfície. Inicialmente este processo utilizava eletricidade das baterias primárias; quando os geradores ficaram disponíveis depois de 1870, o custo de produção das baterias diminuiu muito. As placas Planté ainda são utilizadas em algumas aplicações estacionárias, onde as placas são ranhuradas mecanicamente para aumentar sua área de superfície.
Em 1880, Camille Alphonse Faure patenteou um método de revestimento de uma grade de chumbo (que serve como condutor de corrente) com uma pasta de óxidos de chumbo, ácido sulfúrico e água, seguido de uma fase de cura na qual as placas eram expostas ao calor suave em um ambiente de alta umidade. O processo de cura transformou a pasta em uma mistura de sulfatos de chumbo que aderiram à placa de chumbo. Então, durante a carga inicial da bateria (chamada “formação”) a pasta curada nas placas foi convertida em material eletroquimicamente ativo (a “massa ativa”). O processo de Faure reduziu significativamente o tempo e o custo de fabricação das baterias de chumbo-ácido, e deu um aumento substancial da capacidade em comparação com a bateria do Planté. O método de Faure ainda está em uso hoje, com apenas melhorias incrementais na composição da pasta, cura (que ainda é feita com vapor, mas agora é um processo muito controlado), e estrutura e composição da grade na qual a pasta é aplicada.
A grade desenvolvida por Faure era de chumbo puro com bielas de chumbo em ângulos retos. Em contraste, as grelhas actuais são estruturadas para uma melhor resistência mecânica e um melhor fluxo de corrente. Além dos diferentes padrões de grelha (idealmente, todos os pontos da placa são equidistantes do condutor de potência), os processos modernos também aplicam um ou dois tapetes finos de fibra de vidro sobre a grelha para distribuir o peso de forma mais uniforme. E enquanto Faure tinha usado chumbo puro para suas grades, dentro de um ano (1881) estas tinham sido substituídas por ligas de chumbo-antimônio (8-12%) para dar rigidez adicional às estruturas. No entanto, as redes de altaantimônia têm maior evolução do hidrogênio (que também acelera com o envelhecimento da bateria) e, portanto, maior gasto de gás e maiores custos de manutenção. Estes problemas foram identificados por U. B. Thomas e W. E. Haring no Bell Labs na década de 1930 e eventualmente levaram ao desenvolvimento de ligas de chumbo-cálcio na rede telefônica dos EUA em 1935 para baterias de energia em espera na rede telefônica dos EUA. Pesquisas relacionadas levaram ao desenvolvimento de ligas de chumbo-selenium na Europa, alguns anos mais tarde. Tanto as ligas de chumbo-cálcio como as ligas de chumbo-selenium continuam a adicionar antimónio, embora em quantidades muito menores do que as redes de alta antimónio mais antigas: as redes de chumbo-cálcio têm 4-6% de antimónio enquanto as redes de chumbo-selenium têm 1-2%. Estas melhorias metalúrgicas dão à grelha mais resistência, o que lhe permite carregar mais peso, ou seja, mais material activo, e assim as placas podem ser mais espessas, o que por sua vez contribui para a duração da bateria, uma vez que há mais material disponível para derramar antes que a bateria se torne inutilizável. As grelhas de liga de alta antimónio ainda são utilizadas em baterias destinadas a ciclos frequentes, por exemplo, em aplicações de arranque de motores onde a expansão/contracção frequente das placas precisa de ser compensada, mas onde a ultrapassagem de gases não é significativa, uma vez que as correntes de carga permanecem baixas. Desde os anos 50, as baterias concebidas para aplicações de ciclismo pouco frequentes (por exemplo, baterias em modo de espera) têm cada vez mais grelhas de chumbo-cálcio ou de liga de chumbo-selenio, uma vez que estas têm menos evolução de hidrogénio e, portanto, uma menor sobrecarga de manutenção. As redes de liga de chumbo-cálcio são mais baratas de fabricar (as células têm assim custos iniciais mais baixos), e têm uma taxa de auto-descarga mais baixa, e menores requisitos de rega, mas têm uma condutividade ligeiramente inferior, são mecanicamente mais fracas (e portanto requerem mais antimónio para compensar), e estão mais fortemente sujeitas à corrosão (e portanto uma vida útil mais curta) do que as células com redes de liga de chumbo-selenium.
O efeito de circuito aberto é uma perda dramática da vida útil do ciclo da bateria que foi observada quando o cálcio foi substituído por antimónio. Também é conhecido como efeito livre de antimónio.
P>Pasta de dia moderno contém negro de fumo, fixe de blanc (sulfato de bário) e lignosulfonato. O fixe blanc actua como um cristal de semente para a reacção de sulfato de chumbo para chumbo. O fixe de lignossulfonato deve ser totalmente disperso na pasta para que seja eficaz. O lignosulfonato impede que a placa negativa forme uma massa sólida durante o ciclo de descarga, permitindo, em vez disso, a formação de dendritos longos semelhantes a agulhas. Os cristais longos têm mais superfície e são facilmente convertidos de volta ao estado original ao carregar. O negro de fumo neutraliza o efeito de inibição da formação causada pelos lignossulfonatos. O dispersante de condensado de naftaleno sulfonado é um expansor mais eficaz do que o lignosulfonato e acelera a formação. Este dispersante melhora a dispersão de sulfato de bário na pasta, reduz o tempo de hydroset, produz uma placa mais resistente à quebra, reduz as partículas finas de chumbo e melhora assim as características de manuseamento e colagem. Prolonga a vida útil da bateria ao aumentar a tensão de fim de carga. O naftaleno sulfonado requer cerca de um terço a metade da quantidade de lignossulfonato e é estável a temperaturas mais elevadas.
Após secagem, as placas são empilhadas com separadores adequados e inseridas num recipiente de células. As placas alternativas constituem então eléctrodos alternados positivos e negativos, e dentro da célula são posteriormente ligadas umas às outras (negativo a negativo, positivo a positivo) em paralelo. Os separadores inibem as placas de se tocarem umas às outras, o que de outra forma constituiria um curto-circuito. Nas células inundadas e em gel, os separadores são trilhos ou tachas isolantes, antigamente de vidro ou cerâmica, e agora de plástico. Nas células AGM, o separador é o próprio tapete de vidro, e as prateleiras das placas com separadores são espremidas juntas antes da inserção na célula; uma vez na célula, os tapetes de vidro expandem-se ligeiramente, travando efetivamente as placas no lugar. Em baterias multi-células, as células são então ligadas umas às outras em série, quer através de conectores através das paredes da célula, quer através de uma ponte sobre as paredes da célula. Todas as ligações intra-células e inter-células são da mesma liga de chumbo que as utilizadas nas grelhas. Isto é necessário para evitar a corrosão galvânica.
As baterias de ciclo profundo têm uma geometria diferente para os seus eléctrodos positivos. O eletrodo positivo não é uma placa plana, mas uma fileira de cilindros ou tubos de óxido de chumbo enfiados lado a lado, por isso sua geometria é chamada tubular ou cilíndrica. A vantagem disto é uma maior área de superfície em contato com o eletrólito, com maiores correntes de descarga e carga do que uma célula de chapa plana do mesmo volume e profundidade de carga. As células tubulares-electrodo têm uma maior densidade de potência do que as células de chapa plana. Isto torna as placas de geometria tubular/cilíndrica especialmente adequadas para aplicações de alta corrente com limitações de peso ou espaço, tais como para empilhadeiras ou para o arranque de motores diesel marítimos. No entanto, como os tubos/cilindros têm menos material ativo no mesmo volume, eles também têm uma densidade de energia menor do que as células de chapa plana. E, menos material ativo no eletrodo também significa que eles têm menos material disponível para se soltar antes que a célula se torne inutilizável. Os eletrodos tubulares/cilíndricos também são mais complicados de fabricar uniformemente, o que tende a torná-los mais caros do que as células de chapa plana. Estas trocas limitam a gama de aplicações em que as baterias tubulares/cilíndricas são significativas para situações em que não há espaço suficiente para instalar unidades de chapa plana de maior capacidade (e, portanto, maiores).
Sobre 60% do peso de uma bateria de chumbo-ácido do tipo automóvel classificada em cerca de 60 A-h é chumbo ou peças internas feitas de chumbo; o equilíbrio é electrólito, separadores e a caixa. Por exemplo, há aproximadamente 8,7 kg (19 lb) de chumbo em uma bateria típica de 14,5 kg (32 lb).
SeparadoresEditar
p>Separadores entre as placas positivas e negativas evitam curto-circuitos através de contato físico, principalmente através de dendritos (“treeing”), mas também através do desprendimento do material ativo. Os separadores permitem que o fluxo de íons entre as placas de uma célula eletro-química forme um circuito fechado. Madeira, borracha, tapete de fibra de vidro, celulose e PVC ou plástico de polietileno têm sido usados para fazer separadores. A madeira foi a escolha original, mas se deteriora no eletrólito ácido. Os separadores de borracha são estáveis em ácido de bateria e fornecem valiosas vantagens eletroquímicas que outros materiais não podem.
Um separador eficaz deve possuir várias propriedades mecânicas; tais como permeabilidade, porosidade, distribuição do tamanho dos poros, área de superfície específica, projeto mecânico e resistência, resistência elétrica, condutividade iônica e compatibilidade química com o eletrólito. Em serviço, o separador deve ter boa resistência ao ácido e à oxidação. A área do separador deve ser um pouco maior do que a área das placas para evitar o curto-circuito do material entre as placas. Os separadores devem permanecer estáveis na faixa de temperatura de operação da bateria.
Esteira de Vidro Absorvente (AGM)Editar
No desenho do tapete absorvente de vidro, ou AGM para abreviar, os separadores entre as placas são substituídos por um tapete de fibra de vidro embebido em electrólito. Só há electrólito suficiente no tapete para o manter húmido, e se a bateria for perfurada o electrólito não sairá dos tapetes. O objetivo principal da substituição do eletrólito líquido em uma bateria inundada por um tapete de fibra de vidro semi-saturada é aumentar substancialmente o transporte de gás através do separador; o hidrogênio ou oxigênio gasoso produzido durante a sobrecarga ou carga (se a corrente de carga for excessiva) é capaz de passar livremente através do tapete de vidro e reduzir ou oxidar a placa oposta, respectivamente. Numa célula inundada, as bolhas de gás flutuam para o topo da bateria e são perdidas para a atmosfera. Este mecanismo para que o gás produzido recombine e o benefício adicional de uma célula semi-saturada, proporcionando nenhum vazamento substancial de eletrólito na perfuração física da caixa da bateria, permite que a bateria seja completamente selada, o que os torna úteis em dispositivos portáteis e funções similares. Além disso, a bateria pode ser instalada em qualquer orientação, embora se for instalada de cabeça para baixo, então o ácido pode ser expelido através da ventilação por sobrepressão.
Para reduzir a taxa de perda de água, o cálcio é ligado às placas, no entanto a acumulação de gás continua a ser um problema quando a bateria é profunda ou rapidamente carregada ou descarregada. Para evitar a sobrepressurização da caixa da bateria, as baterias AGM incluem uma válvula de descarga unidireccional e são frequentemente conhecidas como “chumbo-ácido regulado por válvula”, ou VRLA, designs.
Outra vantagem do design AGM é que o eletrólito se torna o material separador, e mecanicamente forte. Isto permite que a pilha de placas seja comprimida em conjunto no invólucro da bateria, aumentando ligeiramente a densidade de energia em comparação com as versões líquidas ou em gel. As baterias AGM apresentam frequentemente uma característica “saliente” nos seus invólucros quando construídas em formas rectangulares comuns, devido à expansão das placas positivas.
O tapete também impede o movimento vertical do electrólito dentro da bateria. Quando uma célula húmida normal é armazenada em estado descarregado, as moléculas ácidas mais pesadas tendem a assentar no fundo da bateria, causando a estratificação do electrólito. Quando a bateria é então utilizada, a maioria da corrente flui apenas nesta área, e o fundo das placas tende a se desgastar rapidamente. Esta é uma das razões pelas quais a bateria de um carro convencional pode ser arruinada, deixando-a armazenada por um longo período e depois utilizada e recarregada. O tapete evita significativamente esta estratificação, eliminando a necessidade de agitar periodicamente as baterias, fervê-las ou passar uma “carga de equalização” através delas para misturar o electrólito. A estratificação também faz com que as camadas superiores da bateria se tornem quase completamente água, o que pode congelar em tempo frio, os AGMs são significativamente menos susceptíveis a danos devido ao uso a baixa temperatura.
Embora as células AGM não permitam a rega (normalmente é impossível adicionar água sem fazer um furo na bateria), o seu processo de recombinação é fundamentalmente limitado pelos processos químicos habituais. O gás hidrogênio se difundirá até mesmo através da própria caixa plástica. Alguns descobriram que é rentável adicionar água a uma bateria AGM, mas isto deve ser feito lentamente para permitir que a água se misture através da difusão através da bateria. Quando uma bateria de chumbo-ácido perde água, a sua concentração de ácido aumenta, aumentando significativamente a taxa de corrosão das placas. As células AGM já têm um alto conteúdo de ácido na tentativa de diminuir a taxa de perda de água e aumentar a tensão de espera, o que resulta numa vida mais curta em comparação com uma bateria inundada por chumbo-antimónio. Se a tensão de circuito aberto das células AGM for significativamente superior a 2,093 volts, ou 12,56 V para uma bateria de 12 V, então ela tem um conteúdo ácido mais alto do que uma célula inundada; embora isto seja normal para uma bateria AGM, não é desejável para uma vida longa.
células AGM que estão intencionalmente ou acidentalmente sobrecarregadas mostrarão uma tensão de circuito aberto mais alta de acordo com a perda de água (e concentração de ácido aumentada). Uma ampère-hora de sobrecarga irá eletrolíticos 0,335 gramas de água por célula; alguns destes hidrogênio e oxigênio liberados irão recombinar, mas não todos.
Eletrólitos geladosEditar
Durante os anos 70, pesquisadores desenvolveram a versão selada ou bateria de gel, que mistura um agente gelificante de sílica no eletrólito (baterias de chumbo-ácido à base de gel de sílica usadas em rádios portáteis desde o início dos anos 30 não eram totalmente seladas). Isto converte o interior anteriormente líquido das células em uma pasta semi-stiff, proporcionando muitas das mesmas vantagens da AGM. Tais designs são ainda menos susceptíveis à evaporação e são frequentemente utilizados em situações em que é possível pouca ou nenhuma manutenção periódica. As células em gel também têm pontos de congelamento e de ebulição mais baixos do que os eletrólitos líquidos utilizados nas células úmidas convencionais e nos AGMs, o que as torna adequadas para uso em condições extremas.
A única desvantagem do desenho do gel é que o gel impede o movimento rápido dos íons no eletrólito, o que reduz a mobilidade do portador e, portanto, a capacidade de corrente de pico. Por esta razão, as células de gel são mais comumente encontradas em aplicações de armazenamento de energia como sistemas fora da rede.