Introdução
Existem dois tipos principais de baterias de armazenamento de chumbo-ácido, baseados em seu método de construção: inundadas (ventiladas) e seladas. Elas diferem também em sua operação. Todas as baterias de chumbo-ácido produzem gás hidrogênio e oxigênio (gaseificação) nos eletrodos durante o carregamento, através de um processo chamado eletrólise. Esses gases escapam em uma célula inundada, enquanto na célula selada são contidos e recombinados. É importante notar que o gás hidrogênio é explosivo no ar a apenas 4% em volume. As baterias de chumbo-ácido inundadas e seladas são discutidas nos parágrafos seguintes.
Baterias de Chumbo-Ácido Inundadas
Células inundadas são aquelas onde os eletrodos estão imersos em eletrólito. Como os gases criados durante o carregamento são ventilados para a atmosfera, é necessário adicionar água destilada ocasionalmente para manter o nível adequado do eletrólito. O exemplo mais comum de uma célula de chumbo-ácido inundada é a bateria de automóvel de 12 V.
Bateria de Automóvel de Chumbo-Ácido Inundada
Baterias de Chumbo-Ácido Seladas
Essas baterias confinam o eletrólito, mas possuem uma válvula ou ventilação para permitir que os gases escapem se a pressão interna exceder um limite específico. Durante o carregamento, uma bateria de chumbo-ácido gera gás oxigênio no eletrodo positivo.
Baterias de chumbo-ácido seladas são projetadas para capturar e recombinar o oxigênio gerado durante o carregamento. Isso é conhecido como ciclo de recombinação de oxigênio e é eficaz enquanto a taxa de carga não for excessiva. Taxas de carga muito altas podem causar ruptura do invólucro, fuga térmica ou danos mecânicos internos.
A bateria regulada por válvula é o tipo mais comum de bateria selada. Desenvolvida para aplicações estacionárias e de telecomunicações, essas baterias possuem uma válvula controlada por mola que libera gases a uma pressão predeterminada. Os limites de pressão típicos variam de 2 a 5 psig, dependendo do design da bateria. Embora o termo "regulada por válvula" seja frequentemente usado para descrever baterias de chumbo-ácido seladas, nem todas as baterias seladas são reguladas por válvula. Alguns designs utilizam tampas de ventilação substituíveis ou outros mecanismos para aliviar o excesso de pressão. As baterias seladas foram desenvolvidas para reduzir a manutenção necessária. Como os níveis de eletrólito são mantidos pela captura e recombinação dos gases, não é necessário adicionar água destilada durante a vida útil da bateria. Essas baterias são frequentemente chamadas de "livres de manutenção". No entanto, todas as práticas de manutenção aplicáveis a baterias não seladas também se aplicam a baterias seladas, exceto que os níveis de eletrólito não podem, e não devem, ser ajustados.
As baterias seladas são frequentemente evitadas para aplicações de fonte de energia de backup por várias razões. Uma delas é que o estado de carga das baterias seladas não pode ser determinado pela medição usual de gravidade específica. Métodos alternativos para medir o estado de carga dessas baterias estão em desenvolvimento. Outra razão é sua sensibilidade a altas temperaturas.
Componentes e Operação da Bateria
Células vs. Baterias
Uma bateria é um dispositivo que converte a energia química de seus materiais ativos em energia elétrica por meio de uma reação eletroquímica. Embora o termo "bateria" seja frequentemente usado, o elemento eletroquímico básico é a célula. Uma bateria consiste em duas ou mais células conectadas eletricamente em série para formar uma unidade. No uso comum, os termos "bateria" e "célula" são usados de forma intercambiável.
Células e Baterias Primárias e Secundárias
As baterias são primárias ou secundárias. As baterias primárias são de uso único, pois as reações químicas que fornecem a corrente elétrica são irreversíveis. As baterias secundárias (ou de armazenamento) podem ser recarregadas e reutilizadas. Nessas baterias, as reações químicas que fornecem corrente elétrica são reversíveis, permitindo que a bateria seja recarregada.
As baterias primárias são comuns devido ao seu baixo custo e facilidade de uso. Exemplos incluem lanternas, relógios, brinquedos e rádios. As baterias secundárias são usadas principalmente para partida, iluminação e ignição (SLI) em automóveis e geradores. Outras aplicações incluem fontes de alimentação ininterrupta (UPS), veículos elétricos, telecomunicações e ferramentas portáteis. Este artigo focará em baterias de armazenamento, exceto onde as características gerais de operação das baterias são discutidas.
Componentes da Bateria
Uma célula possui cinco componentes principais, conforme mostrado na imagem abaixo.
Componentes Principais de uma Célula
O eletrodo negativo fornece elétrons para o circuito externo durante a descarga. Em uma bateria de chumbo-ácido totalmente carregada, o eletrodo negativo é composto de chumbo esponjoso (Pb).
O eletrodo positivo aceita elétrons da carga durante a descarga. Em uma bateria de chumbo-ácido totalmente carregada, o eletrodo positivo é composto de dióxido de chumbo (PbO2). É importante que os eletrodos sejam de materiais diferentes, caso contrário, a célula não desenvolverá um potencial elétrico e não conduzirá corrente elétrica.
O eletrólito completa o circuito interno da bateria fornecendo íons para os eletrodos positivo e negativo. Ácido sulfúrico diluído (H2SO4) é o eletrólito em baterias de chumbo-ácido. Em uma bateria totalmente carregada, o eletrólito é aproximadamente 25% de ácido sulfúrico e 75% de água.
O separador isola eletricamente os eletrodos positivo e negativo. Se os eletrodos entrarem em contato, a célula entrará em curto-circuito e se tornará inútil. Os materiais usados como separadores devem permitir a transferência de íons entre o eletrólito e os eletrodos. Muitos separadores são feitos de material plástico poroso ou fibra de vidro.
Os componentes acima são alojados em um recipiente, comumente chamado de jarro ou recipiente.
Tensão da Célula e da Bateria
Para que uma célula ou bateria forneça corrente elétrica a um circuito externo, deve haver uma diferença de potencial entre os eletrodos positivo e negativo. A diferença de potencial (geralmente medida em volts) é comumente referida como a tensão da célula ou bateria. Uma única célula de chumbo-ácido pode desenvolver uma diferença de potencial máxima de cerca de 2 V sob carga. Uma célula completamente descarregada tem uma diferença de potencial de cerca de 1,75 V, dependendo da taxa de descarga.
Capacidade e Classificações da Bateria
A capacidade de uma célula/bateria é a quantidade de carga disponível, expressa em ampere-horas (Ah). Um ampere é a unidade de medida para corrente elétrica, definido como um coulomb de carga passando por um condutor elétrico em um segundo. A capacidade de uma célula ou bateria está relacionada à quantidade de materiais ativos, quantidade de eletrólito e área de superfície das placas. A capacidade é medida descarregando a bateria a uma corrente constante até atingir sua tensão terminal (geralmente cerca de 1,75 volts), sob condições padrão de 25°C (77°F). A capacidade é calculada multiplicando a corrente de descarga pelo tempo necessário para atingir a tensão terminal.
A capacidade nominal é o termo mais comum para descrever a capacidade de uma bateria de fornecer corrente. Os fabricantes especificam a capacidade nominal em ampere-horas a uma taxa de descarga específica. Por exemplo, uma bateria de chumbo-ácido classificada para 200 Ah (para uma taxa de 10 horas) fornecerá 20 amperes de corrente por 10 horas sob condições de temperatura padrão (25°C ou 77°F). Alternativamente, uma taxa de descarga pode ser especificada por sua taxa de carga ou taxa C, expressa como um múltiplo da capacidade nominal. Por exemplo, uma bateria pode ter uma classificação de 200 Ah a uma taxa de descarga C/10. A taxa de descarga é determinada pela equação abaixo:
Taxa C/10 (amperes)= 200 Ah/10 h = 20 amperes
A capacidade da bateria varia com a taxa de descarga. Quanto maior a taxa de descarga, menor a capacidade da célula. Taxas de descarga mais baixas resultam em maior capacidade. A literatura do fabricante especifica várias taxas de descarga (em amperes) com o tempo de descarga associado (em horas). A capacidade para cada taxa de descarga pode ser calculada conforme discutido acima.
A capacidade nominal para baterias de chumbo-ácido é geralmente especificada nas taxas de 8, 10 ou 20 horas (C/8, C/10, C/20). As baterias UPS são classificadas em capacidades de 8 horas e as de telecomunicações em capacidades de 10 horas.
Conexões em Série e Paralelo
Células e baterias podem ser conectadas em série, paralelo ou combinações de ambos. Células ou baterias conectadas em série têm o terminal positivo de uma célula ou bateria conectado ao terminal negativo de outra. Isso aumenta a tensão geral, mas a capacidade permanece a mesma. Por exemplo, a bateria de automóvel de chumbo-ácido de 12 V contém 6 células conectadas em série, cada uma com uma diferença de potencial de cerca de 2 V. Outro exemplo de células ou baterias conectadas em série é mostrado na imagem abaixo.
Células ou baterias conectadas em paralelo têm seus terminais semelhantes conectados juntos. A tensão geral permanece a mesma, mas a capacidade é aumentada. Por exemplo, se duas baterias automotivas de 12 V forem conectadas em paralelo, a tensão geral ainda será de 12 V, mas a capacidade será o dobro de uma única bateria de 12 V. Outro exemplo de células ou baterias conectadas em paralelo é mostrado na imagem abaixo.
Células Conectadas em Série
Células Conectadas em Paralelo
As baterias também podem ser conectadas em uma combinação série/paralelo. As baterias são adicionadas em série até que a tensão desejada seja obtida e em paralelo até que o banco de baterias atenda aos requisitos de capacidade. Somente células ou baterias semelhantes devem ser conectadas juntas. Conectar células ou baterias de diferentes classificações ou fabricantes pode produzir resultados indesejáveis ou até perigosos.
Como Funcionam as Baterias de Chumbo-Ácido
Recursos Adicionais
https://electrical4u.com/zinc-carbon-battery
https://britannica.com/technology/battery-electronics/Lithium-batteries
https://batteryuniversity.com/learn/article/lead_based_batteries