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Pilhas & Baterias V

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Tópicos: Célula de Lítio-Dióxido de Manganês | Célula de Zinco-Ar | Célula de Lítio-Íon | Principais Parâmetros: Tensão e Capacidade | Tabela Comparativa de Células Recarregáveis |

1) Célula de Lítio-Dióxido de Manganês

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Das células não recarregáveis à base de lítio, esta é provavelmente a mais usada. Na maioria dos casos em forma de disco e construção básica dada pela Figura 1-I, já vista em páginas anteriores. O anodo é lítio, o catodo é dióxido de manganês e o eletrólito é uma solução salina, que pode variar de acordo com o fabricante. A reação anódica é:

$$\ce{Li -> Li+ + e-} \tag{1A}$$
Reação catódica:

$$\ce{MnO2 + Li+ + e- -> MnO2(Li)} \tag{1B}$$
Célula de Lítio-Dióxido de Manganês
Fig 1-I

A tensão, uma das mais altas produzidas por uma única célula, é de 3 volts e se mantém quase constante durante a vida útil. Sem uso, podem ser estocadas por até 10 anos. Não são prejudiciais ao ambiente. São, em geral, adequadas para dispositivos que drenam pouca corrente como relógios de quartzo. Nessas aplicações, podem durar 5 anos ou mais.


2) Célula de Zinco-Ar

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Na célula de zinco-ar, o anodo é zinco e o catodo é um material condutor (carbono), que usa o oxigênio do ar como reagente. A Figura 2-I dá uma ideia da construção em forma de disco. Os furos no terminal catódico permitem a entrada de ar através de um conjunto filtro/membrana permeável. A membrana tem a função de reter o eletrólito (hidróxido de potássio, KOH), evitando vazamentos.

Célula de Zinco-Ar
Fig 2-I

Reação no anodo:

$$\ce{Zn + 2OH- -> Zn(OH)2 + 2e-} \tag{2A}$$
Reação no catodo:

$$\ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-} \tag{2B}$$
O zinco do anodo é em geral na forma de pó misturado com um gel. A tensão da célula á aproximadamente 1,65 volts. Por usar o oxigênio do ar como um dos reagentes, o volume do anodo pode ser grande em relação ao volume total da célula, resultado numa elevada taxa de energia armazenada por volume. Mas a resistência interna não é das menores e, por isso, não é adequada para aplicações de alta intensidade de corrente. Podem ser estocadas por longo tempo, desde que seladas para evitar penetração de ar.


3) Célula de Lítio-Íon

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O anodo é normalmente carbono na forma de grafite. No catodo, são usados compostos como óxido de lítio e manganês (LiMn2O4), óxido de lítio e níquel (LiNiO2) ou óxido de lítio e cobalto (LiCoO2). Este último é mais comum. O eletrólito é formado por um sal de lítio (como LiPF6) dissolvido em uma mistura de carbonatos orgânicos. Ou outras composições de acordo com o fabricante. A construção é na forma de filmes enrolados em espiral, semelhante às células de NiCd e NiMH.

Reação no anodo (descarga):

$$\ce{Li_{n}C -> C + nLi+ + ne-} \tag{3A}$$
Reação no catodo (descarga):

$$\ce{Li_{1−n}MO2 + Li+ + ne- -> LiMO2} \tag{3B}$$

Reação global (descarga):

$$\ce{Li_{n}C + Li_{1-n}MO2 -> LiMO2 + C} \tag{3C}$$

Onde M é um dos metais do composto catódico conforme já mencionado. As reações se dão pela intercalação de íons de lítio, isto é, a inserção em outro material sem mudança significativa na sua estrutura e pelo processo inverso. A tensão gerada é cerca de 3,7 volts, praticamente o triplo da de uma célula de NiCd ou NiMH. É possivelmente a bateria recarregável mais eficiente em termos de energia armazenada por massa ou por volume.


4) Principais Parâmetros: Tensão e Capacidade

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Em geral os primeiros aspectos a considerar na escolha de uma bateria são a tensão fornecida (que deve ser compatível com o circuito a alimentar) e a capacidade, isto é, o tempo máximo de operação até a troca (no caso de não recarregável) ou nova carga, no caso das recarregáveis (autonomia). Outros fatores, como custo, volume, peso, corrente máxima, etc, também devem ser analisados, mas neste tópico são comentados apenas os dois mencionados.

Boa parte dos fabricantes indica a capacidade em ampères-hora (Ah), ou seja, o produto da corrente pelo tempo que a bateria pode fornecer essa corrente. Exemplo: uma bateria automotiva comum de 12 V 40 Ah pode fornecer, por exemplo, 10 A durante 4 horas, 5 A durante 8 horas, etc (até o limite da sua corrente máxima). Para pequenas baterias, é usado o submúltiplo miliampère-hora (mAh). A capacidade em ampères-hora não é a energia armazenada pela bateria. É carga elétrica armazenada e pode ser indicada pela respectiva unidade do Sistema Internacional, Coulomb (C), valendo a relação 1 Ah = 3600 C.

De acordo com conceitos da eletricidade, a relação entre energia W, carga elétrica q e potencial V é:

$$V = \frac{W}{q} \tag{4A}$$
Assim, para determinar a energia que uma bateria pode armazenar, multiplica-se a tensão pela capacidade em ampères-hora. Para a bateria anteriormente citada, a energia é:

12 V 40 Ah = 480 VAh = 480 Wh = 0,48 kWh

Faixas de capacidades para alguns tipos de baterias
Fig 4-I

Pode-se então afirmar que a energia armazenável em uma bateria é dada indiretamente pelos dois parâmetros citados (tensão e capacidade em Ah) ou diretamente pelo seu valor em watts-hora ou quilowatts-hora (ou outra unidade de energia). Considerando que as baterias são em geral usadas em equipamentos móveis ou portáteis, é quase sempre desejável que elas possam ter o máximo de energia no menor volume ou peso. Para fins de comparação, é comum o uso dos parâmetros relativos:

• Energia por volume: usualmente indicada em watts-hora por litro (Wh/l).

• Energia por massa: comumente dada em watts-hora por quilograma (Wh/kg).

Algumas vezes, esses parâmetros são denominados densidade energética da bateria. Na maioria dos equipamentos, as características desejáveis têm relações diretas com custos. E baterias não são exceções. O gráfico da Figura 4-I dá as faixas usuais de densidades energéticas para os tipos de baterias recarregáveis mais usadas na atualidade.


5) Tabela Comparativa de Células Recarregáveis

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A tabela abaixo é um comparativo dos tipos mais usados de baterias recarregáveis. As informações são apenas aproximadas e podem variar de acordo com o fabricante.

Dado Chumbo-ácida NiCd NiMH Li-Íon
Densidade energética Baixa Baixa Média Alta
Características de estocagem Precisam ser carregadas Boas Boas Boas
Perda de carga sem uso 5% / mês 20% / mês 30% / mês 10% / mês
Vida útil Baixa Longa Longa Média / Longa
Velocidade de carga Lenta Lenta ou rápida Lenta ou rápida Lenta
Restrições ambientais Sim Sim Não Não
Custo Baixo Médio Médio / Alto Alto
Tolerância de sobrecarga Alta Média Baixa Baixa
Referências
Pesquisa na Internet em Jul/2007. Fontes não anotadas.

Topo | Rev: Mai/2018