Tipos de pilhas
Nossos velhos amigos
Chumbo-ácido
Quando foi a última vez que você teve de retirar sua manivela, inseri-lo em seu carro virabrequim e dar uma boa volta para obter o funcionamento do motor? Nunca? Isso é porque temos baterias de chumbo-ácido ligadas aos nossos motores de carro que fornecem a explosão de energia que o motor precisa para começar a funcionar. Estas foram inventadas por Gaston Planté em 1859.
como o nome indica, estas baterias têm algum chumbo nelas. Na verdade, ambos os eletrodos (os condutores através dos quais a eletricidade entra ou sai da bateria) contêm algum chumbo—o ânodo (elétrodo alterado positivamente) é feito de metal de chumbo (Pb) e o cátodo (o eletrodo carregado negativamente) é dióxido de chumbo (PbO2). Os eléctrodos são colocados numa solução electrolítica de ácido sulfúrico (H2SO4), que é constituída por iões de hidrogénio (H+) e iões de bissulfato (HSO4).,
O chumbo no ânodo reage com o bissulfato do eletrólito, libertando alguns elétrons, e produzindo sulfato de chumbo, que forma cristais no ânodo, e íons de hidrogênio que entram no eletrólito. Os elétrons viajam para o cátodo através de um circuito externo, onde eles, juntamente com bissulfato e íons de hidrogênio do eletrólito, reagem com o cátodo de dióxido de chumbo. Isto também produz sulfato de chumbo, que novamente forma cristais, desta vez no cátodo., as baterias de chumbo-ácido são recarregáveis—as dos nossos carros carregam usando um pequeno gerador ligado ao motor, chamado alternador. É por isso que quando você deixou as luzes do seu carro ligado e a bateria foi plana é aconselhável para conduzir por um tempo depois de começar o salto para dar o tempo da bateria para carregar novamente. como as cargas da bateria, as reações químicas descritas acima que produzem a eletricidade são forçadas para trás. Os revestimentos de sulfato de chumbo são dissolvidos e forçados a voltar para o electrólito sob a forma de Pb2+ e SO42 – iões., Os íons Pb2+ então pegam dois elétrons e são re-banhados no ânodo como Pb neutro.
no cátodo, os íons Pb2+ dão dois elétrons para formar e reagir com moléculas de água (H2O) para re-formar dióxido de chumbo neutro no cátodo, e alguns íons bissulfatos que voltam para a solução eletrolítica.
no entanto, se uma bateria de chumbo-ácido é permitido descarregar muito, ou é deixado muito tempo antes de recarregar, os revestimentos de sulfato de chumbo formam-se em cristais duros que não podem ser removidos pelo processo de carregamento.,o Ultrabattery é uma versão melhorada de uma bateria de chumbo-ácido tradicional. Combina a tecnologia padrão de baterias de chumbo-ácido com um supercapacitor. Quando uma bateria de chumbo-ácido normal descarrega, a reação que a impulsiona resulta na formação de cristais de sulfato de chumbo tanto no ânodo quanto no cátodo. O processo de recarga remove esses revestimentos, mas os eletrodos (e, portanto, a bateria) degradam-se ao longo do tempo., Além disso, a bateria não gosta de operar em um estado parcial de carga—uma condição em que a bateria é submetida a repetidos ciclos curtos de descarga e recarga, sem nunca esvaziar completamente a bateria ou carregá-la totalmente. Este estado parcial de funcionamento da carga é particularmente importante para os veículos.
O UltraBattery usa o supercapacitor para compensar as reações problemáticas dos eletrodos de chumbo na bateria de chumbo-ácido, aumentando sua duração de vida., Porque um supercapacitor pode tomar e armazenar carga muito rapidamente, ele pode devorar a energia disponível e, em seguida, alimentá-lo para a bateria na taxa certa. Consegue reduzir a acumulação de sulfatos resultantes do processo de descarga-recarga numa bateria padrão de chumbo–ácido.
O UltraBattery também é comparativamente barato de fazer, cerca de 70 por cento mais barato do que as baterias de iões de lítio atualmente utilizadas em carros híbridos elétricos. Outra utilização potencial para o UltraBattery seria em Centrais de energia, para armazenar e “suave” a energia produzida por fontes renováveis, como a energia solar e eólica., Em ensaios em larga escala de parques eólicos na Austrália, o UltraBattery superou as baterias convencionais de chumbo-ácido. o que é um supercapacitor?um condensador é como uma bateria … mas não propriamente. A energia de uma bateria vem da reação química entre seus componentes. A eletricidade é gerada pelo fluxo de elétrons dentro da reação redox entre o ânodo e o cátodo. um capacitor também fornece energia, mas não vem de uma reação química., Capacitores são feitos de duas placas condutoras, com um dielétrico, ou um isolador (uma substância que não conduz eletricidade) no meio. Quando estas placas são conectadas a uma corrente elétrica, a corrente flui para elas; uma placa armazena uma carga negativa em seus átomos de superfície, e a outra uma carga positiva, novamente sobre os átomos de superfície. Como estas placas carregadas diferentemente são separadas pelo dielétrico não condutor, um campo elétrico é criado, que armazena a energia elétrica. Quando o capacitor é conectado a outro circuito, ele libera (descarrega) a energia elétrica., os condensadores normalmente libertam a sua energia muito rapidamente-eles fornecem rajadas rápidas de energia. Isto torna-os úteis para tarefas bastante específicas, tais como alimentar o flash em uma câmera. O flash rapidamente usa muita energia para criar a luz brilhante, em seguida, o condensador recarrega-se a partir da bateria da câmera para que possa ser usado novamente para a próxima foto. uma nuvem é um capacitor – como pequenas partículas de gelo na nuvem colidem entre si e outras partículas de umidade, elétrons podem ser derrubados. Estes elétrons tendem a acumular-se dentro das regiões mais baixas da nuvem., As pequenas, e agora positivamente carregadas, partículas subem para o topo da nuvem. Isto significa uma separação de carga, e um campo elétrico, se acumula dentro da nuvem. À medida que a carga negativa no fundo da nuvem aumenta em força, ela repele outras cargas negativas a partir dela—ela empurra os elétrons na superfície da terra mais fundo no chão, o que significa que uma carga positiva se acumula na superfície. Acabamos com uma região negativamente carregada (o fundo da nuvem), separada de uma região de carga positiva (o solo) por um pobre condutor de eletricidade (o ar)., Quando o campo elétrico na nuvem cresce forte o suficiente, ele pode “quebrar” o ar circundante em partículas ionizadas (carregadas), transformando-o de um isolador não condutor em um condutor. A energia elétrica armazenada na nuvem é instantaneamente libertada, em um relâmpago. supercapacitores são simplesmente capacitores extra-poderosos, com maior capacidade. Isso significa que eles são capazes de armazenar muito mais energia elétrica do que capacitores normais.,
níquel-cádmio
embora agora sejam notórias distintamente antigas, as pilhas de níquel-cádmio (NiCad) foram as primeiras Pilhas Recarregáveis utilizadas em ferramentas eléctricas, tochas e outros dispositivos portáteis. Estes eram os tipos dos nossos telemóveis antes das baterias de iões de lítio os terem arrancado. Às vezes ainda são encontradas como velhas baterias de AA recarregáveis para tochas e brinquedos. Como a bateria de chumbo-ácido, esta química celular já existe há muito tempo—as primeiras baterias NiCad foram vendidas em 1910!,
O ânodo é feito de cádmio (Cd) e seus catodos são de hidróxido óxido de níquel (NiO(OH)2), geralmente com um eletrólito de hidróxido de potássio (KOH).hidróxido de óxido de níquel faz um eletrodo muito bom, uma vez que pode ser produzido para ter uma grande área de superfície, o que aumenta a área ativa disponível para a reação., Além disso, ele não reage com o eletrólito durante a reação, que mantém a solução de eletrólito agradável e puro e ajuda a célula durar (relativamente) muito tempo antes que as reações colaterais irritantes fazê-lo degradar.as baterias de NiCad tinham algumas deficiências. Em primeiro lugar, eram propensos a algo chamado “efeito de memória”, onde as baterias “lembravam” os níveis de descarga anteriores e não recarregavam adequadamente. Isto foi causado pela formação de cristais de cádmio grandes, em vez de pequenos, durante o processo de recarga., Assegurar que a bateria fosse descarregada correctamente antes de recarregar, contribuiu de alguma forma para evitar este problema. Mas tinhas de ter cuidado.descarregar uma bateria de NiCad também a danificou. em segundo lugar, a taxa de descarga de uma bateria NiCad é de cerca de 15-20% por mês. Isso significa que se eles se sentaram na prateleira por alguns meses, eles perderam grande parte de sua carga. em terceiro lugar, o cádmio é caro e um metal pesado tóxico, o que significa que a eliminação das pilhas não era uma coisa boa para o ambiente.,estes problemas com as baterias de NiCad levaram à substituição do ânodo de cádmio por uma liga intermetálica absorvente de hidrogénio (uma combinação de Metais com uma estrutura cristalina definida) que pode absorver até 7% de hidrogénio em massa. Essencialmente, o ânodo é o hidrogênio; a liga de metal serve meramente como um recipiente de armazenamento para ele.
A combinação mais comum de metais para esta liga são aqueles com uma forte capacidade de formação de hidreto, juntamente com um metal de formação de hidreto fraco., outra consideração ao juntar a liga metálica é que quando alguns metais absorvem hidrogênio, a reação produz calor—é exotérmica. Outros absorvem calor em uma reação endotérmica. Nós realmente não queremos uma bateria que ou produz ou suga o calor à medida que ele descarrega, então, juntamente com a combinação de formação de hidreto forte–fraco a liga também é feita a partir, precisamos de uma combinação de Metais exotérmicos e endotérmicos.
os elétrons que produzem a corrente elétrica da bateria vêm da oxidação de átomos de hidrogênio, que se transformam em prótons., Estes protões reagem com íons hidróxido (OH-) do eletrólito para fazer água. A liga metálica que forma o ânodo juntamente com o hidrogênio não participa da reação química que move a célula; é basicamente um espectador que apenas fornece uma casa para os íons hidreto de toda a importância.as baterias de níquel-hidreto metálico são muito semelhantes às baterias NiCad em termos de tensão, capacidade e aplicação. O efeito da memória é menos um problema do que com NiCads e eles têm uma maior densidade de energia. Ainda são usados como padrão para baterias AA recarregáveis.,
Pilhas alcalinas
Pilhas alcalinas são usadas em brinquedos, eletrônicos, os leitores de CD portáteis que usamos nos anos 90, e os Walkmans que eram populares nos anos 80. Eles contabilizam a maior parte das baterias que são feitas hoje, embora seu lugar no topo provavelmente em breve será contestado pelas baterias de íon de lítio em nossos telefones, laptops e um número crescente de outros aparelhos.
eles são populares porque eles têm uma baixa taxa de auto-descarga, dando-lhes um longo prazo de validade, e não contêm metais pesados tóxicos como chumbo ou cádmio. Embora as baterias recarregáveis alcalinas tenham sido desenvolvidas, estes tipos geralmente são de uso único. Uma vez que eles estão fora de carga, é para o depósito de reciclagem (ou, mais geralmente, para aterros, como não há muitos lugares que reciclá-los).estas baterias têm zinco como ânodo e dióxido de manganês (MnO2) como cátodo., Seu nome, entretanto, vem da solução alcalina usada como o eletrólito. É geralmente hidróxido de potássio (KOH), que pode conter um grande número de íons dissolvidos. Quanto mais íons a solução eletrolítica pode absorver, mais longa a reação redox que impulsiona a bateria pode continuar.
o ânodo de zinco é geralmente em pó. Isso lhe dá uma maior área de superfície para a reação, o que significa que a célula pode liberar seu poder muito rapidamente., Ele dá seus elétrons para o cátodo de dióxido de manganês, ao qual o carbono, na forma de grafite, é adicionado para melhorar a sua condutividade e ajudá-lo a manter a sua forma.
E isso nos leva às baterias que hoje em dia energizam a maioria dos nossos smartphones e laptops: baterias de iões de lítio. Esses caras são tão importantes que nós queríamos tratá-los com o respeito (e detalhe) que eles merecem, para que você possa ler sobre eles em seu próprio recurso Nova.