O que é uma bateria?
Uma bateria é um dispositivo eletroquímico que pode armazenar energia na forma de energia química. Isso se traduz em energia elétrica quando a bateria está conectada em um circuito devido ao fluxo de elétrons devido à colocação específica de produtos químicos. Foi inventado por Alessandro Volta, enquanto Gaston Plante inventou a bateria recarregável.
A bateria é composta por três elementos: o lado negativo, o lado positivo e o eletrólito (a substância química que reage com os dois lados), conforme mostra a imagem abaixo. O eletrólito é usado como meio de transporte de elétrons entre o ânodo e o cátodo.
Funciona devido a reações eletroquímicas chamadas oxidação e redução. Nesta reação, os elétrons fluem de um lado para o outro quando o circuito externo está conectado ao ânodo e ao cátodo.
Diagrama geral da bateria.
A composição química da bateria pode variar para diferentes aplicações, especificações, tamanhos, etc., que são explicados abaixo em tipos de baterias.
Aplicações de bateria
A bateria é usada em aplicações onde é necessário armazenar energia para fins futuros. Dispositivos portáteis, de emergência e de baixo consumo de energia geralmente usam baterias. Um dispositivo portátil, como um laptop móvel, possui uma bateria para usar onde você quiser. Um dispositivo de emergência como inversor, tocha, etc., é usado quando não há eletricidade. Dispositivos de baixo consumo de energia, como relógios, oxímetros, etc., podem funcionar por muito tempo após a substituição da bateria. A rede elétrica não é adequada para todas as situações.
Os requisitos de uma bateria dependem de várias condições, como quanta energia é necessária ou qual é a portabilidade do dispositivo. Mas e o relógio de parede? Por que isso não está conectado a uma tomada?
O relógio de parede consome muito pouca energia. Uma bateria de 1,2 V pode durar quase dois anos, mas esse não é o principal motivo. O relógio deve ser ligado a cada instante para obter a hora correta; isso pode ser feito por bateria. Um único obstáculo no poder causará um atraso no tempo. É por isso que ele foi projetado para funcionar com menos energia, permitindo assim que o relógio funcione por um período mais longo e tornando a bateria uma forma eficiente de fornecer energia constantemente.
Vejamos outro exemplo. Geralmente, um veículo funciona com gasolina. Em um veículo com partida automática, a ignição inicial do motor é feita por uma bobina de ignição e um motor. O motor é usado para atingir rpm específicas do motor e a bobina de ignição é usada como fonte de ignição. Esta bobina de ignição de veículo consome cerca de quatro Amps. Essa corrente pode variar entre os diferentes fabricantes e há muito espaço no veículo. É por isso que para preencher o requisito de corrente mais alto, a bateria de chumbo-ácido é perfeita para isso.
Ignição do veículo.
A partir do exemplo acima, podemos dizer que o uso das baterias depende do estado e da aplicação.
Tipos de baterias
Com base na funcionalidade, existem dois tipos de baterias disponíveis no mercado.
- Baterias Primárias.
- Baterias Secundárias.
Baterias Primárias
As baterias feitas para uso único e incapazes de recarregar são chamadas baterias primárias. Este tipo de bateria é descartada após o uso. Também é conhecido como baterias não recarregáveis. É uma fonte de energia muito simples e conveniente para dispositivos portáteis como relógio, câmera, lanterna, etc. A bateria vem em tamanho padrão, conforme mostrado abaixo.
O tamanho padrão da bateria
Essas baterias são baratas, pequenas, leves e exigem pouca ou nenhuma manutenção.
Algumas baterias primárias comuns
- Bateria alcalina
A bateria alcalina consiste principalmente em zinco e dióxido de manganês como eletrodos. O eletrólito alcalino é usado como hidróxido de potássio ou de sódio. Como você pode ver na imagem abaixo, o invólucro externo é um tambor de aço e há uma tampa no tambor que é um terminal positivo. Dentro deste tambor, é fundido o dióxido de manganês de grão fino (MnO2) misturado com pó de carvão, como mostra a imagem. Essa mistura fundida faz parte do cátodo de uma bateria alcalina. Há outro pó preenchido dentro do pó catódico, que é o pó de zinco com hidróxido de potássio. O pó de zinco (Zn) faz parte do ânodo de uma bateria alcalina. Ambos os pós são separados por um separador de papel. O separador de papel é embebido em hidróxido de potássio, um eletrólito entre o cátodo (MnO2) e o ânodo (Zn). O pino metálico de latão é inserido junto com o eixo central da bateria alcalina, que é um pino coletor negativo. O pino está em contato com a extremidade metálica. Existe uma tampa plástica que separa a extremidade metálica do tambor de aço. A extremidade metálica é o terminal negativo de uma bateria alcalina.
Bateria alcalina
Esta bateria é usada onde é necessária baixa tensão. Uma única célula pode fornecer 1,5V. Isso é muito barato, então pode reduzir o custo do produto. Cada relógio pendurado na parede ou controles remotos que controlam sua TV e AC funcionam com essas baterias alcalinas.
- Bateria de célula tipo botão
Como você pode ver, a célula-botão tem a forma de um botão que leva o corpo a ser o cátodo, e o ânodo é isolado na parte superior da bateria. O corpo é feito de aço inoxidável niquelado – um terminal positivo da célula tipo moeda. Na parte superior do CAN, você pode ver uma tampa de terminal negativa. Tanto o CAN quanto a tampa superior são separados por uma junta feita de material isolante. Dentro da bateria existem dois materiais: metal lítio e dióxido de manganês, separados por um separador. O eletrólito usado na bateria é sal de lítio em solvente orgânico.
Célula de botão (fonte)
Células tipo botão ou moeda podem ser vistas em relógios de diferentes tamanhos. Isso também vem na categoria de baterias alcalinas porque compreende três substâncias: lítio como ânodo e dióxido de manganês como cátodo, e alcalino como eletrólito. Essas baterias são usadas para alimentar pequenos dispositivos como relógios, RAM de calculadora de bolso, etc.
Baterias Secundárias
As baterias que são feitas para fins reutilizáveis por meio de recarga são chamadas baterias secundárias. Eles também são chamados baterias recarregáveis. Elas têm a mesma reação eletroquímica que as baterias alcalinas, mas a reação eletroquímica pode ser revertida. Este tipo de bateria é usado para dispositivos portáteis como telefones celulares, laptops, veículos elétricos, etc. Além disso, uma bateria recarregável é usada com um inversor que armazena energia para alimentar nossos dispositivos domésticos.
Algumas baterias secundárias comuns
- Baterias de chumbo-ácido
O recipiente da bateria de chumbo-ácido é feito de borracha dura de um composto betuminoso. O recipiente obtém ácido sulfúrico diluído, que é um eletrólito. As placas de chumbo em forma de grade são mergulhadas no eletrólito. A placa positiva da bateria de chumbo-ácido é feita de peróxido de chumbo (PbO2). Esta é uma substância marrom escura, dura e quebradiça. A placa negativa é feita de chumbo puro em condições de esponja macia. Um separador separa ambos os eletrodos. Este separador pode ser feito de celulose, cloreto de polivinila, borracha orgânica e poliolefinas. O positivo e o negativo são conectados na parte superior da bateria, que é o terminal externo positivo e negativo para conectar a carga ou dispositivo. Há uma tampa de filtro com um pequeno orifício no centro. A tampa do filtro fornece acesso para adição de eletrólitos e os orifícios permitem que os gases sejam liberados para a atmosfera.
Bateria de chumbo-ácido (fonte)
Essas baterias são de baixo custo, confiáveis, maiores e pesadas. É usado principalmente em aplicações pesadas porque não é portátil devido ao seu peso e tamanho. Ele é usado em aplicações não portáteis, como armazenamento de energia por painel solar, ignição e iluminação de veículos, energia de reserva e nivelamento de carga na geração e distribuição de energia.
- Baterias de níquel-cádmio
Uma bateria de níquel-cádmio (bateria Ni-Cd ou NiCad) é feita de hidróxido de óxido de níquel como cátodo e cádmio metálico como ânodo. Primeiramente, uma camada de óxido de níquel NiO2 é mantida ao redor do redox. Esta camada atua como um cátodo. Acima desta camada catódica, um separador de KOH ou NaOH é feito para fornecer íons OH. Após esta camada, a camada de cádmio atua como ânodo da bateria ni-cd. A camada de níquel atua como eletrodo positivo e o cádmio atua como eletrodo negativo. A disposição da camada é enrolada em formato cilíndrico em uma caixa. A caixa externa é feita de metal com placa de vedação e válvula de segurança, que permitem a retirada de gases do recipiente. Uma tampa na parte superior da célula é isolada por uma junta, que atua como um positivo da bateria ni-cd.
Bateria de níquel-cádmio. (Fonte)
Essas baterias têm um custo relativamente menor, contêm materiais tóxicos e uma alta taxa de autodescarga. Possui maior número de ciclos de carga e descarga. A densidade de energia é maior que a das baterias de chumbo-ácido. É menor, mais leve e está disponível em diversos tamanhos, como baterias alcalinas. Geralmente é usado em dispositivos de baixo custo, como brinquedos, luz solar ou telefones sem fio, etc.
- Baterias de níquel-hidreto metálico
A bateria de níquel-hidreto metálico (NiMH ou Ni-MH) é feita de hidróxido de óxido de níquel como cátodo e liga absorvente de hidrogênio como ânodo. A construção da bateria Ni-MH é igual à da bateria Ni-cd. A camada de hidróxido de óxido de níquel e a liga absorvente de hidrogênio são laminadas com o separador de KOH ou NaOH. A caixa metálica externa atua como um terminal negativo e é conectada com uma liga absorvente de hidrogênio. A tampa no topo da célula atua como um terminal positivo e está conectada ao hidróxido de óxido de níquel. Um anel de vedação isolante ou junta separa os terminais negativo e positivo.
Bateria de níquel-hidreto metálico. (Fonte)
Comparados ao Ni-Cd, estes são mais eficientes, com maior densidade de energia, menos tóxicos e menor taxa de autodescarga. É relativamente caro quando comparado ao Ni-Cd. Possui resistência a sobrecarga e descarga excessiva. Não é muito fácil carregar e alguns fabricantes fornecem carregadores específicos.
- Baterias de íon de lítio
As baterias de íon-lítio possuem ânodo feito de grafite e cátodo feito de óxido metálico de lítio. O sal de lítio como solvente orgânico é usado como eletrólito. Quando a bateria está conectada ao circuito ou carga, o íon de lítio migra do eletrodo negativo para o eletrodo positivo.
Na imagem abaixo, a construção da bateria de íon-lítio é semelhante à das baterias Ni-Cd e Ni-NH, exceto pelos materiais. O óxido metálico de lítio é revestido com folha de alumínio que é o eletrodo positivo. A grafite é revestida com uma folha de cobre que é o eletrodo negativo. Ambas as folhas são enroladas em formato cilíndrico com um separador entre elas. O espectador fica encharcado com material eletrolítico que geralmente é sal de lítio como solvente orgânico. O invólucro metálico externo é negativo e a tampa superior é o terminal positivo. Ambos são separados por uma junta feita de material isolante.
Bateria de íon de lítio. (Fonte)
As baterias de íon de lítio são usadas em celulares, laptops e muitos dispositivos portáteis. Também é usado nas forças armadas e aeroespaciais devido à sua natureza leve. Possui maior densidade de energia e baixa autodescarga em comparação com outros tipos de baterias. Também está disponível em vários tamanhos. Sua tensão unicelular é mais alta. Eles apresentam um risco significativo de explosão quando entram em curto-circuito ou são danificados externamente.
