Células(Pilhas/ Baterias) Comerciais

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1 Pilha-célula galvânica Células(Pilhas/ Baterias) Comerciais Bateria- conjunto de pilhas ou células galvânicas ligadas em série Características: Diferença de potencial constante (V), 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. Células Primárias: As reacções electroquímicas não são reversíveis: durante a descarga a energia eléctrica é libertada, até à exaustão dos compostos químicos. Só podem ser usadas só uma vez até à descarga. Células Secundárias ou Acumuladores: As reacções electroquímicas são reversíveis e os compostos originais podem ser recuperados por aplicação de um potencial entre os eléctrodos. Podem ser recarregadas, até ao número máximo de ciclos de recarga.

2 1. Pilhas de Leclanché (pilhas secas) PILHAS/BATERIAS PRIMÁRIAS 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 Reacção Anódica: Zn Zn e - Reacção Catódica: Mn 4+ + e - Mn 3+ E 0 Zn 2+ /Zn 0 = V (reacção verdadeira: 2 MnO 2 + 2H + + 2e - Mn 2 O 3 + H 2 O) f.e.m.=1.5 V E 0 MnO 2 /Mn 3+ = V Aplicações: lanternas, brinquedos, rádios. São as mais baratas no mercado, mas possuem a menor densidade de energia e funcionam mal em aplicações que exijam corrente.

3 2. Pilhas Alcalinas Ânodo: Aço em contacto com pó de Zinco Cátodo:Aço em contacto com pó de MnO 2 e grafite Electrólito: solução aquosa de KOH invólucro em aço, revestido a Níquel (contacto do cátodo) plástico protector, isolante Reacções parciais de eléctrodo: Zn(s) + 2 OH - (aq) > ZnO(s) + H 2 O(l) + 2 e - 2 MnO 2 (s)+ H 2 O(l) + 2 e - >Mn 2 O 3 (s)+ 2 OH - (aq) cátodo: pó de grafite + MnO 2 em água e KOH separador em tecido ânodo: Zinco em pó colector do ânodo (revestido a Sn) selante em plástico Reacção global da pilha: Zn(s) + 2 MnO 2 (s) > ZnO(s) + Mn 2 O 3 (s) f.e.m.=1.5 V separador fundo metálico Aplicações: Rádios, brinquedos, flash de máquinas fotográficas, relógios. Vantagens:Mais do dobro da densidade de energia e 4 a 9 vezes maior duração que as equivalentes de Leclanché

4 3. Pilhas de Lítio Ânodo: Li metálico Para usos industriais: Cátodo: cloreto de tionilo Electrólito: tetracloreto de lítio Para consumo: Cátodo:MnO 2 Electrólito: um sal de lítio inorgânico composto numa mistura de alta permitividade. Reacção Anódica: Li(s) > Li + + e - E 0 Li + /Li 0 = V Reacção Catódica: f.e.m. = 3 V 2 MnO 2 + H 2 O + 2 e - >Mn 2 O OH - E 0 MnO 2 /Mn 3+ = V Aplicações: pace-makers, todas as das pilhas alcalinas Vantagens: elevada f.e.m. Desvantagens: demasiada reactividade do Li pode levar a inflamações

5 PILHAS/BATERIAS SECUNDÁRIAS 1. Pilhas Ácidas de Chumbo 6 células ligadas em série, cada uma tendo uma f.e.m.de ~2 V, dando um total de 12 V Ânodo: Chumbo metálico esponjoso Cátodo:Dióxido de chumbo (PbO 2 ) Electrólito:Solução aquosa (~6 M) de H 2 SO 4 Durante a descarga: Reacção Anódica: E 0 PbSO 4 /Pb 0 = V Reacção Catódica: Reacção Global: E 0 PbO 2 /Pb 2+ = V

6 1. Pilhas Ácidas de Chumbo Cont. Durante a carga: Aplicações:motores de automóveis, equipamento de construção, barcos de recreio, sistemas de backup. Representam mais de metade das baterias comerciais. Vantagens:30-50 W h/kg ciclos. Baixo custo, ciclo de vida longo, capacidade para aquentar maus tratos. Suportam altas e baixas temperaturas. Desvantagens:O Pb é pesado e tóxico. Reciclar. Para altas voltagens, a água decompõe-se em H 2 e O 2, o que requer a reposição do nível. Possibilidade de explosão para concentrações elevadas desta mistura. Fumos do ácido podem ter efeitos corrosivos na área circundante. Resolução parcial: baterias seladas ou com válvula reguladora (sem manutenção).

7 2. Pilhas de Níquel-Cádmio (NiCd) Ânodo: Cádmio (Cd) Cátodo: NiO(OH) Electrólito: KOH aquoso Reacções parcias de Eléctrodo: Anódica: Cd + 2OH - > Cd(OH) 2 + 2e - Catódica:NiOOH(s) + H 2 O(l) + e - Ni(OH) 2 (s) + OH - (aq) Reacção global: Cd(s) + 2 NiOOH(s) + 2H 2 O(l) > Cd(OH) 2 (s) + Ni(OH) 2 (s) f.e.m.=1.25 V Aplicações: Calculadoras, câmaras digitais, lap tops, desfibriladores, veículos eléctricos Vantagens: W h/kg 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. Reciclar. E 0 = V Cd 2+ /Cd 0 E 0 = V NiOOH/Ni(OH) 2

8 As Baterias dos Carros Híbridos de Hoje 3. Níquel Hidreto Metálico (NiMH) O ânodo é de um composto intermetálico capaz de se ligar ao H. O cátodo é de NiOOH. Electrólito alcalino, geralmente KOH. Pode ter 2 a 3 vezes a capacidade de uma pilha do mesmo tamanho de NiCd. f.e.m.=1.25 V Reacção Catódica: NiOOH(s) + H 2 O(l) + e - Ni(OH) 2 (s) + OH - (aq) (Oxihidróxido de Níquel) Reacção Anódica: MH(s) + OH - (aq) M(s) + H 2 O(l) + e - (Hidreto metálico) Reacção Global: MH(s) + NiOOH(s) M(s) + Ni(OH) 2 (s) M: Composto intermetálico de fórmula AB 5, onde Aé uma mistura de terras raras (La, Ce, Ne, Pr) e Bum metal como Ni, Co, Mn e/ou Al.

9 Níquel Hidreto Metálico (NiMH) 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: V Peso: 53.3 kg Potência de descarga: 20 kw a 50% de carga. Aumenta com o aumento de temperatura. Computador dedicado para manter a temperatura e o nível de carga óptimos. Arrefecimento das bateriais: pelo ar da cabine.

10 Níquel Hidreto Metálico (NiMH) Toyota Highlander e Lexus RX 400h Localização: por baixo dos bancos traseiros Constituição: 240 células Voltagem nominal: 288 V convertidos pelo boost em 500 V Cada módulo tem o seu próprio sistema de controlo e arrrefecimento. A performance do arrefecimento reduz perdas de eficiência por aquecimento excessivo. O sistema de controloe mantém o nível de carga constante enquanto o motor está ligado. 18% mais pequena que a NiMH do Prius, mas fornece potência 40% superior.

11 Níquel Hidreto Metálico (NiMH) Ford Escape Constituição: 250 células NiMHSanyo, cada uma com 1.3 V. Estão soldadas em módulos de 5 células (50 módulos). Voltagem nominal: 330 V.

12 Níquel Hidreto Metálico (NiMH) Honda Insight Localização: Por baixo da bagageira, junto da unidade de controlo integrada Constituição: 120 células NiMH Panasonic, com 1.2 V cada. Voltagem nominal: 144 V Tem capacidade para descarga de 100 A, 50 A em carga.

13 Níquel Hidreto Metálico (NiMH) Saturn Vue Green Line (GM) Localização: Por baixo da bagageira (no espaço que seria para o pneu sobressalente) Desenhada por Cobasys(EUA) Voltagem nominal: 36 V Capazde fornecer14.5 kw de potência empico Potência de 12 V para acessórios e potência para carregar a bateria

14 As Baterias dos Carros Híbridos de Amanhã e dos Carros Eléctricos 4. Pilhas de Ião Lítio A densidade de energia é superior a qualquer outro tipo de célula, como as NiMH usadas correntemente. É esta capacidade que torna possíveis os carros eléctricos. Ex: As baterias do EV1 da GM (1997) usavam células ácidas de Pb: cada bateria tinha 276 cm e pesava 545 kg. Com as células de Li armazena-se a mesma quantidade de energia (16 kwh) num contentor com 173 cm pesando 181 kg.

15 4. Pilhas de Ião Litio Ânodo: grafite com Li intercalado Cátodo: (compostos de intercalação) Dióxido de Cobalto: Li 1-x CoO 2 Li x C V Níquel-Cobalto-Manganês (NCM): LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 Níquel-Cobalto-Alumiíio (NCA): LiNi 0.8 Co 0.2 x Al x O 2 Óxido de Manganês (MnO): LiMn 2 O 4-4 V Fosfato de Ferro (FePo): LiFePO V Parâmetro crítico: a velocidade à qual o cátodo pode absorver e emitir iões Li + livres Reacção Anódica: Li x C 6 (s) x Li + (sol) + 6 C(s) + xe - (oxidação do C) Reacção Catódica: Li 1-x CoO 2 (s) + x Li + (sol) + xe - LiCoO 2 (s) (redução do Co) Cátodo: Li 1-x CoO 2 Electrólito condutor de iões Li + CARGA Ânodo: Li x C 6 Reacção Global: Li x C 6 (s) + Li 1-x CoO 2 (s) 6 C(s) + LiCoO 2 (s) DESCARGA Aplicações: portáteis, telemóveis, veículos eléctricos. Vantagens: voltagem elevada, descarga lenta w h/kg ciclos. Desvantagens: Perigo de produzir Li metálico em caso de curto-circuito. Reciclar.

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17 Pilhas de Combustível Convertem a energia química (de combustão) directamente em energia eléctrica ânodo poroso cátodo poroso H 2 O 2 electrólito H 2 O Reacção Anódica: H 2 (g) 2 H + (aq) + 2 e - Reacção Catódica: O 2 (g) + 4 e H + (aq) 2 H 2 O(l) Reacção Global: 2 H 2 (g) + O 2 (g) H 2 O(l) f.e.m= 1.23 V Não são células primárias, porque nem os reagentes nem os produtos são armazenados. Os reagentes têm que ser alimentados continuamente. Não são células secundárias, porque não são recarregáveis. Aplicações: submarinos não nucleares, aeronaves, primeiros automóveis (GM) Vantagens:Não são poluentes: o único subproduto é H 2 O e esta pode ser reutilizada pelas tripulações. Desvantagens: preço, armazenamento e transporte de H 2.

18 Ver na membrana as várias hipóteses incluindo polímeros, sais inorgânicos fundidos e electrólitos

19 Alkali fuel cells Molten Carbonate fuel cells (MCFC) Phosphoric Acid fuel cells (PAFC Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells work with a polymer electrolyte in the form of a thin, permeable sheet. Solid Oxide fuel cells (SOFC)

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21 Células Directas de Combustível de Metanol O 2 /ar H 2 O/ar eléctrodos porosos membrana condutora de protões 200mW/cm 2 0.5V(4-5barO 2 ) 140 o C LibertaCO 2 CO envenena o catalisador de Pt Catalisadores de Pt-Ru apresentam melhor performance