Pilhas e Baterias: Funcionamento e Tipos

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Pilhas e Baterias
O processo químico de troca de elétrons, conhecido como oxirredução, é responsável
pelo funcionamento e propriedades das pilhas e baterias de nosso cotidiano. “No
dia-a-dia usamos os termos pilha e bateria indistintamente. Pilha é um dispositivo
constituído unicamente de dois eletrodos e um eletrólito, arranjados de maneira a
produzir energia elétrica. Bateria é um conjunto de pilhas agrupadas em série ou
paralelo, dependendo da exigência por maior potencial ou corrente.”
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Pilhas
Converter energia liberada numa reação química em energia elétrica: esta é a função de uma
pilha. Esta energia disponível pode então ser utilizada para colocar em funcionamento os mais
diversos aparelhos que vão, desde lanternas, rádios portáteis, até sistemas de sinalização e
transmissores em satélites artificiais.
O tipo de pilha que sempre tomamos como base para explicar o seu princípio de
funcionamento é a denominada “Pilha de Volta”, nome em homenagem ao seu inventor,
Alessandro Volta.
Ela consistia simplesmente em uma estrutura como a mostrada na figura , em que discos de
cobre e zinco se alternavam, tendo entre eles discos de tecidos embebidos em uma solução de
ácido sulfúrico.
Cada par de discos pode
fornecer uma tensão em
aberto da ordem de 1,2 a
1,6 V, sendo o pólo
positivo o disco de cobre
e o pólo negativo o disco
de zinco. A tensão
https://www.infoescola.com/quimica/eletron/
https://www.infoescola.com/quimica/oxirreducao/
disponível, naturalmente, seria dada pela quantidade de pares de discos montados na
estrutura,]
Baterias
Comecei por esclarecer que existe uma diferença entre o que chamamos de pilha e o que
chamamos de bateria.
A pilha ou célula é a unidade de fornecimento de energia, ou seja, o conjunto básico de
elementos que permite obter energia a partir de reações químicas.
Já a bateria consiste numa associação de células ou pilhas, visando com isso obter uma
quantidade de energia maior, que uma única pilha ou célula não conseguiria.
Tipos de Pilhas e Baterias que contêm no
mercado
As pilhas e baterias primárias são aquelas que
não são recarregáveis (seca, alcalina e de lítio), e
as secundárias são recarregáveis (de chumbo, íon
lítio, NiCd e NiMH).
● Pilha Comuns ou Pilhas de Leclanché
● Pilhas e Baterias Alcalinas
● Bateria de Níquel Cádmio
● Baterias de Lítio
● Baterias de Íon Lítio
● Bateria de Íon-Polímero
● Bateria de Chumbo Ácido
● Bateria Selada
Bateria de hidreto metálico/óxido de níquel
(NiMH)
Tipos e Aplicações
-Pilha Comuns
As pilhas comuns possuem um fio condutor, que realiza a transferência de elétrons de
um metal que tem a tendência de ceder elétrons para um outro metal que tem a
tendência de ganhar elétrons. Quando os pólos positivos e negativos da pilha são ligados
externamente, ocorre uma reação
química em que o pólo positivo libera
elétrons que atravessam o circuito.
Esse tipo de pilha é capaz de fornecer
energia até que o potencial para
realizar a reação química se esgote, não
podendo ser recarregada.
Esse tipo de pilha geralmente fornece um valor baixo de corrente, sendo indicado para
uso em aparelhos como relógios de parede, controle remoto e brinquedos.
-Pilha Alcalina
As pilhas alcalinas recebem este nome
por que são feitas a partir de bases,
possuem d.d.p de 1,5 V e não são
recarregáveis.A pilha alcalina é
composta por uma mistura eletrolítica:
pasta básica de NaOH (hidróxido de
sódio - bom condutor eletrolítico). Já a pilha seca comum contém cloreto de amônio
NH4Cl (sal ácido) e recebe a classificação de ácida.
A pilha alcalina, por sua vez, é apropriada para equipamentos que requerem
descargas de energia rápidas e fortes, como brinquedos, câmeras fotográficas
digitais, MP3 players, etc.
-Bateria de Níquel Cádmio
A bateria de Níquel Cádmio foi o
segundo tipo de bateria recarregável a
ser desenvolvido. Nela, os pólos
positivo e negativo estão no mesmo recipiente, com o positivo (anodo) coberto de
hidróxido de níquel, e o negativo coberto de material sensível ao cádmio, ambos
isolados por um separador. Os dois pólos são envolvidos por uma substância
eletrolítica, geralmente uma solução de Hidróxido de Potássio.
Essas baterias eram muito utilizadas em telefones celulares e telefones sem fio, e
foram gradualmente sendo substituídas por baterias de hidreto metálico de
níquel (NiMH), ou de Íon-Lítio.
Baterias de Níquel Cádmio são cada vez mais raras de se encontrar, pois além de
muito poluentes, tem menor capacidade de armazenamento e menor vida útil,
além de sofrer de um problema chamado “efeito memória”. Nessa bateria, o ideal
é que ela seja completamente descarregada antes de uma nova recarga.
-Baterias de Lítio
As baterias de lítio contam com ânodo (polo negativo), cátodo (polo positivo),
separador poroso (responsável por separar o anodo e o catado, sem impedir a
passagem dos íons de lítio) e o eletrólito (composto utilizado para que os íons de
lítio sejam transferidos dentro da bateria).
Um tipo de bateria de lítio bem comum é o tipo moeda, utilizada em
equipamentos eletrônicos em geral como relógios de pulso, balanças, brinquedos
e controles remoto. Alguns módulos, como os que utilizam RTC, também fazem
uso desse tipo de bateria.
-Baterias de Íon Lítio
A bateria de Ion-Lítio,
também conhecida como
Li-Ion, é um tipo de bateria
recarregável muito utilizada em
equipamentos portáteis, como
telefones celulares e câmeras
digitais, armazenando o dobro
de energia de uma bateria de
hidreto metálico de níquel (ou NiMH), e três vezes mais que uma bateria de
Níquel Cádmio (NiCd).
Uma das grandes vantagens desse tipo de bateria é a ausência de “efeito
memória”, ou seja, você não precisa esperar que a bateria esteja totalmente
descarregada para efetuar uma nova recarga. A bateria de Ion-Lítio suporta
centenas de ciclos de carga/descarga.
A bateria de Ion-Lítio também é bastante leve e segura, por ser hermeticamente
fechada, e tem uma durabilidade aproximada de 3 anos, quando começa a perder
a eficiência. Cuidados especiais devem ser tomados com esse tipo de bateria, pois
ela é extremamente sensível ao calor.
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-Bateria Íon-Polímero
A bateria de Íon-Polímero,
também conhecida como Lipo, é
bastante utilizada em drones,
aeromodelos e alguns celulares.
Apesar de também ter o lítio como elemento base, as baterias de Li-Po são
menores e mais flexíveis que as outras baterias de lítio. A desvantagem delas para
as baterias de Li-Ion é o seu custo, que não vale a pena para algumas aplicações.
Assim como a bateria Li-Ion, você não precisa esperar ela descarregar
completamente para carregar novamente, porque elas não “viciam”. Deve-se
atentar na hora de carregar as baterias de lítio, pois as tensões de operação e de
recarga das baterias Li-Po são diferentes das Li-Ion.
-Baterias
de chumbo-ácido
As baterias de chumbo-ácido, geralmente usadas em automóveis, são
formadas internamente por 6 “pilhas” de 2 V, totalizando 12 V. Em cada pilha o
pólo positivo (cátodo) é formado por placas de chumbo revestidas com óxido de
chumbo (PbO2), e o pólo negativo (ânodo) é formado por placas de chumbo. Os
dois pólos são mergulhados em uma solução de ácido sulfúrico.
Durante o carregamento, a
reação química que gera
energia faz com que
ocorra perda de água, o
que faz com que esse tipo de bateria necessite de manutenção constante e
reposição de água destilada para que ela não perca a eficiência.
Para resolver esse problema, foi criada a bateria selada.
-Bateria Selada
Na bateria selada, é adicionado 0,07% de cálcio aos eletrodos de chumbo, o que
diminui drasticamente a decomposição/perda de água. Além disso, essas baterias
geram oxigênio no eletrodo positivo e hidrogênio no negativo, que se combinam
para formar água.
Isso dispensa a manutenção
periódica e faz com que a
bateria permaneça com o
mesmo nível de água durante
toda asua vida útil, que vai de
2 a 5 anos. Entretanto,
devemos evitar situações de
sobrecarga, pois nessa
situação toda a água da
bateria pode ser perdida, e
consequentemente a bateria
não pode mais ser utilizada.
Tanto as baterias de chumbo-ácido comuns como as seladas podem fornecer uma
corrente muito maior em comparação com pilhas comuns, sendo utilizadas em
situações onde seja exigida uma corrente maior, como o uso em automóveis,
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sistemas de iluminação, equipamentos hospitalares, sistemas de alarmes,
lanternas, no-breaks, etc.
-Bateria de Níquel Metal Hidreto
As baterias de níquel metal hidreto ou hidreto metálico de níquel, são as
baterias mais utilizadas para tracionar os veículos híbridos, porém,
dificilmente são utilizadas para tracionar os veículos elétricos. Isso ocorre
devido à dinâmica do fluxo de energia dos veículos híbridos e elétricos.
Cada um desses veículos utilizam a energia elétrica em momentos
diferentes e para objetivos diferentes. Portanto utilizam a bateria de formas
diferentes. Nesse caso, as características da bateria de níquel metal hidreto
favorecem o uso dessa bateria para veículos híbridos e não para veículos
elétricos.
As baterias de níquel-metal hidreto possuem o melhor desempenho entre
as baterias existentes, são atrativas economicamente e possuem uma
densidade de energia 50% maior do que as baterias de chumbo ácido. Elas
podem ser carregadas e descarregadas com altas taxas por períodos curtos.
Por outro lado, se essa bateria for descarregada por repetidas vezes em uma
alta corrente, o ciclo de vida da bateria é reduzido em torno de 200-300
ciclos
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Componentes de uma Pilha e Bateria
A pilha é composta de eletrodos ,eletrólitos e outros materiais que são
adicionados para controlar ou conter as reações químicas dentro dela .Os
eletrodos são constituídos de uma variedade de metais ,potencialmente perigosos
,que são os metais pesados .Já os eletrólitos podem ser ácidos ou básicos de
acordo com o tipo de pilha .Materiais como latão ,plástico, papel ,papelão e aço
são também encontrados nesses dispositivos.
Os componentes potencialmente perigosos - metais pesados -encontrados nas
pilhas e baterias são :mercúrio ,chumbo, cádmio ,cobre ,zinco
,prata,manganês,cromo ,níquel ,arsênio e lítio.Esses elementos ,além de
constituírem os eletrodos ,tem ainda outras funções .No que se refere às pilhas
secas, o mercúrio ,inibidor da corrosão, é usado para cobrir o eletrodo de zinco .O
chumbo contribui para as propriedades de conformação do caneco de zinco pilha
zinco-carbono ,agindo também como inibidor de corrosão .Já o cádmio ,além de
aumentar a resistência mecânica ,torna o caneco resistente à corrosão de
eletrólitos comuns de pilhas secas .
O fator determinante na quantidade de
energia gerada por uma pilha e o seu tempo
de duração
A força eletromotriz de um pilha depende de vários fatores, tais como:
● Concentração: No início do funcionamento da pilha, a
concentração de íons na solução é maior e, por isso, a capacidade
da outra espécie química de doar elétrons é a máxima. Mas, com o
tempo, a concentração desses íons vai diminuindo e a ddp diminui
gradativamente;
● Temperatura: A elevação da temperatura aumenta a velocidade
das reações, provocando variações na ddp da pilha.
● Estado Físico dos reagentes.
● Tipo de Eletrólito presente nela .
A durabilidade da pilha ou bateria depende de uma série de fatores além do
tamanho. Depende também da regulagem do aparelho (quanto mais potente maior o
consumo), recursos ativados e das horas de uso.
As baterias recarregáveis tem uma autonomia de 8 a 14 horas, dependendo do
tamanho.
A duração média da pilha é apenas um dos parâmetros que o consumidor deve levar
em conta ao fazer a escolha do produto. Infelizmente, os fabricantes não
disponibilizam na embalagem o tempo médio de duração das pilhas. Pela norma
vigente no Brasil, eles são obrigados apenas a discriminar a data de fabricação e o
prazo de validade do produto. Para escolher a pilha com a melhor relação custo
benefício, os consumidores deveriam calcular o custo por minuto de duração,
utilizando como referência o tempo de duração discriminado no gráfico acima. Como
o preço das pilhas varia muito segundo a marca e o local de revenda, a vida do
consumidor não é fácil.
As pilhas também têm prazo de validade. As pilhas comuns duram até 3 anos e as
alcalinas até 5 anos. Para que sua durabilidade seja mantida, é preciso armazenar as
pilhas em locais secos e com abrigo de luz e calor.
Sustentabilidade
Pilhas e baterias são itens muito úteis no nosso dia a dia, porém apresentam em suas
composições, materiais tóxicos extremamente perigosos para a sua saúde como
cádmio, chumbo, mercúrio, manganês, cobre, níquel, lítio, cromo e zinco.
Esses elementos podem afetar o sistema nervoso central, o fígado, os pulmões e os
rins causando algumas doenças como anemia, paralisia parcial, debilidade entre
outras patologias.
Enquanto estão sendo utilizadas, essas pilhas e baterias não oferecem risco para a
saúde humana. O problema é quando elas são descartadas em locais não adequados
ou passam por deformações na cápsula que as envolvem: amassam, estouram, e
deixam vazar o líquido tóxico de seus interiores.
De acordo com o técnico administrativo da Diretoria de Sustentabilidade (DIRSU),
Júlio Cesar Costa a importância do descarte sustentável é muito importante em
diversos aspectos. " Anualmente 2 toneladas de pilhas e baterias ao destinadas para o
descarte ambientalmente correto pela Universidade Federal de Uberlândia. Pilhas e
baterias são produtos que descartados incorretamente podem prejudicar a saúde e o
meio ambiente, algumas substâncias podem ir para os copos d'água. Elas contém
metais pesados que podem poluir o lençol freático e o solo afetando a qualidade da
água e dos alimentos que são produzidos.
Como deve ser feito o descarte das pilhas?
Antes de mais nada, assim que as pilhas e baterias acabarem, guarde-as em um local
isolado para evitar que seus metais pesados tenham contato com outros produtos.
Para isso, embale tudo em um plástico mais grosso e guarde até o momento do
descarte. É importante que a embalagem se mantenha seca e sem contato com a luz
solar.
Onde fazer o descarte de pilhas?
Felizmente, hoje é possível descartar esses itens em lugares populares, como
supermercados, farmácias e lojas de eletrônicos. Geralmente, esses locais colocam
caixas coletoras para pilhas e baterias em alguma área de fácil acesso.
O que é feito com pilhas e baterias descartadas?
A fim de garantir um descarte correto, depois de recolherem as pilhas e
baterias dos comércios e lojas autorizadas, os fabricantes fazem a reciclagem
desses itens ou descartam em aterros sanitários autorizados para receber esse
tipo de substância tóxica.
Pilhas recarregáveis são alternativa de uso
sustentável
O uso das pilhas recarregáveis trazem comodidade, economia e não é necessário
substituí-las. Esses dispositivos de longa duração podem ser recarregados mais de
uma vez com o uso de um carregador adequado. Dessa forma, optar pelas pilhas
recarregáveis ajuda na diminuição do lixo eletrônico e beneficia o meio ambiente
com a redução desses dispositivos.
"O uso de pilhas e baterias recarregáveis diminuem drasticamente os impactos
ambientais. Apesar de não serem de uso infinito, são itens que amenizam bastante os
danos ao meio ambiente", comentou Lucas Alves, da Coordenadoria de Educação
Ambiental da Sudema.