Células(Pilhas/ Baterias) Comerciais

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.

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 2+ + 2 e - Reacção Catódica: Mn 4+ + e - Mn 3+ E 0 Zn 2+ /Zn 0 = -0.763 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+ = + 0.95 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.

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

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 = -3.040 V Reacção Catódica: f.e.m. = 3 V 2 MnO 2 + H 2 O + 2 e - >Mn 2 O 3 + 2 OH - E 0 MnO 2 /Mn 3+ = + 0.95 V Aplicações: pace-makers, todas as das pilhas alcalinas Vantagens: elevada f.e.m. Desvantagens: demasiada reactividade do Li pode levar a inflamações

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 = -0.36 V Reacção Catódica: Reacção Global: E 0 PbO 2 /Pb 2+ = + 1.46 V

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. 200-300 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).

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: 45-80 W h/kg. 1500 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 = -0.81 V Cd 2+ /Cd 0 E 0 = + 0.49 V NiOOH/Ni(OH) 2

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.

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: 201.6 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.

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.

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.

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.

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

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.

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 6-3.7 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 4-3.3 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.110-160w h/kg. 150-250 ciclos. Desvantagens: Perigo de produzir Li metálico em caso de curto-circuito. Reciclar.

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 - + 4 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.

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

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)

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