Sumário 20 Pilhas/Baterias

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Júlio César Deluca Abreu
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1 Sumário 2 Pilhas/Baterias 1. Definições e características 2. Baterias primárias 2.1 Baterias de Leclanché (pilhas secas) 2.2 Baterias Alcalinas 2.3 Baterias de Lítio 3. Baterias secundárias 3.1 Baterias de chumbo 3.2 Baterias de Níquel Cádmio (NiCd) 3.3 Baterias Níquel Hidreto Metálico( NiMH) 3.4 Baterias de Ião Lítio 4. Baterias de combustível 4.1 Bateria de Hidrogénio 4.2 Bateria de Metanol

Baterias secundárias 3.1 Baterias de chumbo 3.2 Baterias de Níquel Cádmio (NiCd) 3.

2 1. Definições Pilha célula galvânica Bateria conjunto de pilhas ou células galvânicas ligadas em série Características Diferença de potencial (V) constante, gerada durante um certo tempo, a que corresponde uma corrente eléctrica contínua, também constante. V< f.e.m. (circuito aberto). Energia total armazenada (E), expressa em W h. Densidade de Energia (energia total que a pilha fornece dividida pela sua massa, expressa em W h/kg.

corrente eléctrica contínua, também constante. V< f.e.m. (circuito aberto).

3 Baterias primárias (não recarregáveis; reacções electroquímicas irreversíveis) 2.1 Baterias de Leclanché (pilhas secas) Ânodo E 2+ =.763 V Zn /Zn Zn 2+ (aq) + 2 e Zn (s) Cátodo E + = MnO, H /Mn O V 2 MnO 2 (s) + 2H + + 2e Mn 2 O 3 (s) + H 2 O Electrólito NH 4 Cl + ZnCl 2 f.e.m. 1.5 V A Vedante, em material isolante B Cátodo (grafite com a ponta metálica contacto) C Ânodo (zinco) D Mistura de MnO 2 (oxidante), e electrólito, constituído por NH 4 Cl (fonte de H + ), e ZnCl 2 em água. Aplicações: lanternas, brinquedos, rádios, etc. São as mais baratas no mercado, mas possuem a menor densidade de energia e funcionam mal em aplicações que exijam corrente.

5 V A Vedante, em material isolante B Cátodo (grafite com a ponta metálica contacto) C Ânodo (zinco) D Mistura de MnO 2 (oxidante), e electrólito, constituído por NH

4 2..2 Baterias alcalina as Ânodo E = ZnO(s)/ - /Zn(s),OH = V ZnO(s) + H 2 2O(l) + 2 e Zn(s) + 2 OH (aq) Cátodo E MnO ( s)/mn O (s), =.1 OH 15 V 2 MnO 2 (s)+ H 2 O + 2 e Mn2O 3 (s) + 2 OH (aq) f.e.m. 1.4 V Electrólito soluçãoo aquosa de KO OH. Aplicações: Rádios, flash de máquinas fotográficas, etc. Vantagens: Mais do dobro da densidade de energia e 4 a 9 vezes maior duração que as equivalentes de Leclanché

1 OH 15 V 2 MnO 2 (s)+ H 2 O + 2 e Mn2O 3 (s) + 2 OH (aq) f.e.m. 1.4 V Electrólito soluçãoo aquosa de KO OH.

5 2.3 Baterias de Lítio Ânodo E + = 3.4 V Li /Li Li + + e Li(s) Cátodo E + = MnO, H /Mn O V 2 MnO 2 (s)+ H 2 O(l) + 2 e Mn 2 O 3 (s) + 2 OH (aq) Electrólito sal de Li f.e.m 3.2 V Aplicações: pace makers, relógios, e todas as das pilhas alcalinas Vantagens: elevada f.e.m., pequenas dimensões e massa

15 V 2 MnO 2 (s)+ H 2 O(l) + 2 e Mn 2 O 3 (s) + 2 OH (aq) Electrólito sal de

6 Baterias secundárias (recarregáveis; reacções electroquímicas reversíveis) 3.1 Baterias de Chumbo Ânodo E PbSO 4 (s)/pb(s) =, 36 V PbSO (s) + 2e Pb(s) + SO Cátodo E + = 1, 46 V PbO (s), H /PbSO (s) 2 4 PbO (s) + 4H + 2e + SO PbSO (s) + 2H O Electrólito Solução aquosa (~6 M) de H 2 SO 4 Aplicações: motores de automóveis, equipamento de construção, barcos de recreio, sistemas de backup. Representam mais de metade das baterias comerciais. Desvantagens: O Pb é pesado e tóxico

(s) 2 4 PbO (s) + 4H + 2e + SO PbSO (s) + 2H O + - 2-2 4 4 2 Electrólito Solução aquosa (~6 M) de H 2 SO 4 Aplicações:

7 3.2 Baterias de Níquel Cadmio (NiCd) Ânodo E = -.81V 2+ - Cd,OH /Cd(s) Cd(OH) 2 (s) + 2e Cd(s) + 2OH Cátodo E =.49 V - NiOOH(s)/Ni(OH) (s), OH 2 NiOOH(s) + H 2 O(l) + e Ni(OH) 2 (s) + OH (aq) Electrólito solução de KOH f.e.m V Aplicações: Calculadoras, câmaras digitais, lap tops, desfibriladores, veículos eléctricos Vantagens: 45 8 W h/kg. 15 ciclos. V constante ao longo do tempo de vida. Resistência significativamente mais baixa do que outras pilhas com a mesma V, podem fornecer correntes mais elevadas. Desvantagens: o Cd é tóxico

25 V Aplicações: Calculadoras, câmaras digitais, lap tops, desfibriladores, veículos eléctricos Vantagens: 45 8 W h/kg. 15 ciclos.

8 3.3 Baterias de Níquel Hidreto metálico (NiMH) Ânodo M(s) + H 2 O + e MH(s) + OH (aq) M é um composto intermetálico de fórmula AB 5, onde A é uma mistura de terras raras (La, Ce, Ne, Pr) e B um metal como Ni, Co, Mn e/ou Al. Cátodo Electrólito NiOOH(s) + H 2 O + e Ni(OH) 2 (s) + OH (aq) KOH f.e.m. 1.2 V Aplicações: Baterias dos carros híbridos Vantagens: Pode ter 2 a 3 vezes a capacidade de uma pilha de NiCd do mesmo tamanho Toyota Prius Localização atrás do banco traseiro Constituição: 1ª geração : 38 módulos prismáticos de NiMH Panasonic. Cada módulo contém 6 células de 1.2 V ligadas em série (228 células) 2ª geração : 28 módulos prismáticos de NiMH Panasonic. Cada módulo contém 6 células de 1.2 V ligadas em série (168 células) Voltagem nominal: 21.6 V Peso: 53.3 kg; Potência de descarga: 2 kw a 5% de carga

2 V Aplicações: Baterias dos carros híbridos Vantagens: Pode ter 2 a 3 vezes a capacidade de uma pilha de NiCd do mesmo tamanho Toyota Prius Localização atrás do banco traseiro Constituição: 1ª

9 Toyota Highlander e Lexus RX 4h Localização debaixo do banco traseiro Constituição: 24 células Voltagem nominal: 288 V convertidos pelo boost em 5 V Cada módulo tem o seu próprio sistema de controlo e arrefecimento. Vantagens: 18% mais pequena que a NiMH do Prius, fornecendo potência 4% superior. Ford Escape Constituição: 25 células NiMH Sanyo, cada uma com 1.3 V, soldadas em módulos de 5 células (5 módulos). Voltagem nominal: 33 V Honda Insight Constituição: 12 células NiMH Panasonic, com 1.2 V cada. Voltagem nominal: 144 V

Vantagens: 18% mais pequena que a NiMH do Prius, fornecendo potência 4% superior.

10 3..4 Baterias de Ião Lítio Ânodo Li x C 6 (s) x Li + (sol) + 6 C(s) + xe (oxidação do C) Grafite com Li + intercalado (x < 1) Cátodo Li 1 x CoO 2 (s) + x Li + (sol) + xe LiCoO 2 (s) (redução do Co) Li + intercalado no CoO O 2 Li + não sofre processos redox

11 3.4 Baterias de Ião Lítio (outros cátodos) Óxido de Manganês (MnO): LiMn 2 O 4 Fosfato de Ferro (FePo): LiFePO 4 f.e.m. 4. V f.e.m. 3.3 V Níquel Cobalto Manganês (NCM): LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 Níquel Cobalto Alumiíio (NCA): LiNi.8 Co.2 x Al x O 2 Aplicações: portáteis, telemóveis, veículos eléctricos Vantagens: voltagem elevada, descarga lenta W h/kg ciclos Desvantagens: Perigo de produzir Li metálico em caso de curtocircuito. Reciclagem.

3 V Níquel Cobalto Manganês (NCM): LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 Níquel Cobalto Alumiíio (NCA): LiNi.8 Co.

12 Baterias de combustível Convertem a energia química (de combustão) directamente em energia eléctrica 4.1 Célula de H 2 Combustão do H2: 2 2 H 2 (g) + O 2 (g) H 2 O(l) + calor Eléctrodos de Ânodo Cátodo carbonoo porosoo com partículas de Pt (catalizador) H 2 (g) 2 H + (aq) + 2 e O 2 (g) + 4 e + 4 H + (aq) 2 H 2 O(l) Electrólito H 3 PO 4 (ácido fosfórico) nas células ácidas f.e.m. = 1.23 V Reacção Global: 2 H 2 (g) + O 2 (g) H 2 O(l) Aplicações: submarinos não nucleares, aeronaves, automóveis (GM) Vantagens: não são poluentes Desvantagens: operação transporte do H 2 a 15 2 C, custo, armazenamento e

H 2 (g) 2 H + (aq) + 2 e O 2 (g) + 4 e + 4 H + (aq) 2 H 2 O(l) Electrólito H 3 PO 4 (ácido fosfórico) nas células ácidas f.e.m. = 1.

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