Baixe Pilhas e Baterias - Eltrotécnica - Final e outras Trabalhos em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! 1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO DE TECNOLOGIA Relatório do Seminário sobre Pilhas e Baterias Disciplina: Eletrotécnica Geral – EEL 5113 Professor: Jean Vianei José Arcanjo Mateus Lopes Siviero Patrick Ney Rodrigo Schneider Florianópolis Jul/2012 2 Índice 1. Introdução: Existe diferença entre pilhas e baterias?................................................... 3 2. Estrutura das Pilhas ....................................................................................................... 4 3. Tipos de Pilha (Primária e Secundária) .......................................................................... 4 4. Tipos de Pilhas e Baterias (Composição) ....................................................................... 5 4.1 Zinco-Carbono ............................................................................................................. 5 4.2 Alcalina......................................................................................................................... 6 4.3 Níquel-Metal-Hidreto (NiMh) ...................................................................................... 7 4.4 Níquel-Cadmio(NiCd) ................................................................................................... 8 4.5 Íon de Lítio (Li-Íon) ..................................................................................................... 10 4.6. Acido-Chumbo ........................................................................................................... 11 4.7. Célula de Combustível ............................................................................................... 13 5. Futuro das Pilhas e Baterias ....................................................................................... 14 6. Referências Bibliográficas .......................................................................................... 15 5 restaurados à sua condição original pela recarga da pilha. Estas pilhas também se denominam como acumuladores. 4. Tipos de Pilhas e Baterias (Composição) 4.1 Zinco-Carbono Figura 3 - Pilha ZnC Pilha Zinco-Carbono com revestimento de Manganês Tensão: 1,5 V Tipo de Célula: Primária Características: As pilhas de zinco-carbono são as baterias primárias com o mais baixo custo de produção do mercado, sendo habitualmente incluídas em: produtos eléctricos vendidos com pilhas. Estas “pilhas de uso geral” podem ser utilizadas em controlos remotos, lanternas, relógios, rádios de transístor e outros tipos de aparelhos cuja potência eléctrica não seja muito pesada. As células de zinco-carbono são mais propensas a fugas(vazamento) pelo fato do ânodo ser o próprio contentor do eletrólito. Vantagens: Baixo Custo, não toxica ao meio ambiente. Desvantagens: Durabilidade reduzida, os vazamentos provocados pela pilha podem danificar aparelhos. Funcionamento: Uma pilha seca comum é formada por um eletrodo de zinco, que também é o invólucro metálico da pilha, e um eletrodo central e cilíndrico de carvão. Separando os dois eletrodos há uma pasta gelatinosa à base de cloreto de amônio, que constitui o eletrólito da pilha Ao se completar o circuito elétrico externo, a corrente é criada através da ação do eletrólito sobre o zinco, que constitui o eletrodo ou polo negativo do aparelho. A ação química liberta 6 átomos de hidrogênio que se acumulam sobre a superfície do polo positivo. Essa ação, chamada polarização, faz diminuir progressivamente a produção de corrente, acabado por tornar a pilha inútil ou "descarregada". Para retardar o máximo possível os efeitos dessa polarização, costuma-se colocar entre o eletrólito e o eletrodo positivo uma camada de mistura despolarizante (como na pilha ilustrada na figura 3), no caso, geralmente, dióxido de manganês. Aplicação: As pilhas secas são usadas para produzir correntes pequenas, em serviços contínuos, ou quando se deseja corrente moderada e serviço intermitente. Assim, são usadas em baterias de rádios portáteis, telefones, brinquedos, lanternas, etc. 4.2 Alcalina Figura 4 - Pilha Alcalina Tipo de Célula: Primária ou Secundária. Tensão: A diferença de potencial nominal de uma célula de bateria alcalina é 1,5 volts. Podem ser alcançadas tensões múltiplas deste valor com a associação de células. A tensão em vazio real de uma pilha alcalina não descarregada varia entre 1,50 a 1,65 volts. Este valor depende do dióxido de manganês escolhido e do conteúdo do óxido de zinco existente no eletrólito. A tensão média em carga depende da descarga e varia entre 1,1 e 1,3 volts. A célula totalmente descarregada mantém uma tensão de 0,8 a 1,0 volts. Características: Este tipo de bateria deve o seu nome ao electrólito alcalino de hidróxido de potássio, em oposição ao electrólito ácido das baterias de zinco- carbono, que se encontram disponíveis no mercado com a mesma tensão nominal e dimensões físicas. As pilhas alcalinas geram os mesmos 1,5 volts por célula que as baterias de zinco-carbono, embora possuam uma muito maior densidade energética e duração de vida. 7 Vantagens: Podem ser recarregáveis ou não-recarregáveis, maior densidade energética e duração de vida. Desvantagens: Custo mais elevados de produção em comparação a zinco- carbono. Funcionamento: Numa bateria alcalina o ânodo ou terminal negativo é constituído por um pó de zinco que permite uma muito maior área de superfície (o que acelera a taxa da reação e o fluxo de elétrico), e por cátodo de óxido de manganês. Esta utiliza um eletrólito de hidróxido de potássio, em vez do cloreto de amónio ou de zinco das baterias de zinco-carbono. Aplicação: As pilhas secas são usadas para produzir correntes pequenas, em serviços contínuos, ou quando se deseja corrente moderada e serviço intermitente. Assim, são usadas em baterias de rádios portáteis, telefones, brinquedos, lanternas, etc. 4.3 Níquel-Metal-Hidreto (NiMh) Figura 5 - Pilha Níquel-Metal-Hidreto Tipo de Célula: Secundária Recarregável Características: São o tipo de pilha recarregável mais comum, atualmente encontrados no mercado. Foram precedidas pelas pilhas Cd-Ni. Usam eletrodos positivos de NiOOH como as pilhas de NiCd, no entanto usam uma liga absorvedora de hidrogênio no eletrodo negativo. Possui de 3 a 4 vezes a capacidade das pilhas NiCd e sua densidade de energia, que é de aproximadamente 100 W-h/kg, se aproxima das pilhas de lítio. Um dos grandes problemas das pilhas NiMh é o descarregamento que elas experimentam quando estocadas. Estima-se que estas percam até 3% da sua carga por mês de estocagem. Existe atualmente uma solução que são as pilhas eneloop, 10 interna relativamente baixa, fornecer influxos elevados de corrente. Isto torna- os uma escolha adequada para carros e aviões telecomandados de modelismo assim como para ferramentas eléctricas e flashes. Já as células molhadas de maiores dimensões são usadas em baterias de arranque de aeronaves, veículos eléctricos, e também em fontes de alimentação standby. 4.5 Íon de Lítio (Li-Íon) Figura 7 - Pilha de Lítio Tipo de Célula: Secundária Tensão: 3.7 à 4.2 V Características: As baterias de íon-lítio são um género de bateria recarregável no qual o eléctrodo positivo (ou ânodo) é formado por lítio, e o eléctrodo negativo (ou cátodo) por um tipo poroso de carbono. A sua operação baseia-se na circulação alternada de íons de lítio entre o ânodo e o cátodo. Vantagens: As baterias de íon-lítio podem ser fabricadas numa grande variedade de formas/tamanhos de tal modo que se adaptam muito eficientemente ao espaço disponível nos aparelhos que alimentam. São também mais leves do que outras baterias secundárias com características similares, o que resulta do fato de possuírem uma elevada tensão de circuito aberto face a baterias aquosas (como as de ácido-chumbo ou de hidreto metálico). Estas baterias também não sofrem de efeito de memória (que cria numa progressiva perda da capacidade de carga) e têm uma taxa de auto descarga de aproximadamente 5-10% ao mês (em comparação com os 30% comuns nas baterias de hidretos metálicos). Desvantagens: Por outro lado, este tipo de baterias tem um ciclo de vida relativamente pequeno, uma vez que após cada carregamento se criam depósitos no electrólito que inibem o transporte dos iões de lítio. Para além 11 disso, níveis de carga e temperaturas elevadas aceleram também a perda de capacidade de carga de forma pemanente. A resistência interna das baterias de ião-lítio é alta em comparação com outros géneros de baterias recarregáveis, e aumenta tanto com o número de ciclos como devido à sua idade cronológica. Finalmente, as baterias de ião-lítio também não têm uma duração tão grande como as de hidretos metálicos ou de níquel-cádmio e podem ser muito perigosas se forem mal utilizadas. Funcionamento: Durante o seu funcionamento normal, a corrente flui do ânodo para o cátodo de um modo similar ao de qualquer outra bateria. Durante este processo a bateria descarrega-se e dá-se o movimento de íons positivos de lítio (Li+) através de um eletrólito não aquoso e de um diafragma separador para o cátodo de carbono. Os íons de lítio ficam profundamente embebidos no ânodo através de um processo conhecido como intercalação. Por outro lado, durante o carregamento a corrente eléctrica é feita passar na direção inversa a partir de um circuito externo. O condutor positivo do circuito de carga tem de estar ligado ao ânodo da bateria, e o condutor negativo ao seu cátodo de forma permitir a passagem de uma tensão de 3,7 volts (pode sr também aplicado um valor superior 4,2 volts que tem em consideração fatores de resistência interna). Durante o recarrega mento da bateria, os íons de lítio embebidos no cátodo de carbono são libertados, entram no eletrólito e viajam outra vez através deste e do diafragma até aderirem de novo ao ânodo feito de lítio. Aplicação: As baterias de ião-lítio são muito comuns em equipamentos electrónicos portáteis (como celular, notebook, mp3, etc.) em resultado da sua elevada densidade energética, da ausência de efeito de memória, e da sua auto descarga lenta quando não são usadas. Para além da electrónica de consumo, o seu uso está a aumentar de forma rápida nas indústrias automóvel, aeronáutica e da defesa também devido à sua alta densidade energética. 4.6. Acido-Chumbo Figura 8 - Pilha de Ácido-Chumbo 12 Tipo de Célula: Secundária Tensão: Estas são as margens gerais de tensão para baterias de ácido- chumbo com seis células: As baterias de circuito aberto com carga total possuem entre 12,6 V e 12,8 V (2,10-12,13 V por célula); as baterias em circuito fechado entre 11,8 V e 12,0 V; as baterias carregadas em discarga total 10,5 V. Características Vantagens: Capacidade de suportar picos elevados de corrente faz com que consigam manter um rácio relativamente elevado entre potência e peso. Esta característica aliada ao seu reduzido custo de produção fazem delas uma opção atractiva em veículos motorizados, gerando as correntes eléctricas altas necessárias aos motores de arranque de automóveis. Desvantagens: Possuem a mais reduzida proporção entre peso e energia de todos os tipos de baterias (logo a seguir às de níquel-ferro), e uma proporção correspondentemente baixa entre energia e volume. Funcionamento: No seu estado carregado, cada célula de uma bateria de ácido-chumbo contém eléctrodos feitos de chumbo (Pb) e de dióxido de chumbo (PbO2) imersos num electrólito com uma concentração de aproximadamente 33,5% de ácido sulfúrico (H2SO4). Por outro lado, no seu estado descarregado ambos os eléctrodos se transformam em sulfato de chumbo II, ou PbSO4, enquanto que o electrólito perde o ácido sulfúrico dissolvido para se transformar na sua maioria em água (H2O). Em resultado da depressão do ponto de congelação desta, à medida que a bateria se descarrega e a concentração de ácido sulfúrico vai aumentando, o electrólito tem maior probabilidade congelar durante o Inverno. Devido às células abertas de electrólito líquido da maioria das baterias de ácido-chumbo, a sobrecarga a tensões de carga altas produz gases de oxigénio e de hidrogénio por meio da electrólise da água. Isto pode levar por sua vez à sua explosão. O electrólito ácido das baterias é também altamente corrosivo. As células práticas de ácido-chumbo não são feitas com chumbo puro, contendo também antimónio, estanho, cálcio ou selénio misturados na liga dos eléctrodos de modo a torná-los mais fortes e fáceis de fabricar. Aplicação: As baterias standby de células húmidas desenhadas para ciclos de descarga profunda são por norma utilizadas em sistemas de backup de grandes dimensões para abastecer centros de servidores, centrais de