Ninguém dá a devida atenção às baterias — até que a carga delas acabe, claro. Mas esta tecnologia robusta e surpreendentemente antiga fez muito mais pela civilização do que muitos imaginam.
De fato, o mundo moderno como conhecemos não existiria se não fossem as baterias e sua única e essencial habilidade de estocar energia elétrica. Sem elas, não poderia haver nada móvel. Telefones, computadores, dispositivos biomédicos ou até mesmo lanternas: cada aparelho eletrônico na Terra precisaria de uma tomada para funcionar.
Então, vamos pensar nas baterias por um minuto. Melhor ainda, vamos explicar tudo que você possivelmente queira saber sobre elas: o que são, de onde vêm, e — o mais importante — como podemos aproveitá-las ao máximo.
Uma breve história das baterias
A bateria de Bagdá: trazendo energia para a Mesopotâmia
Parece uma cena de Os caçadores da arca perdida. Em 1936, alguns pequenos e estranhos potes de terracota foram descobertos nas ruínas de um vilarejo próximo da cidade de Khuyut Rabbou’a, nos subúrbios de Bagdá, Iraque. Claramente feitas durante a Antiguidade, suas idades datavam da era Parta (entre 248 a.C. e 226 d.C.) ou Sassânida (entre 224 e 640 d.C.), mas seu uso não estava claro. Foram, então, doadas ao Museu Nacional do Iraque e colocadas num armário até serem redescobertas em 1938 pelo diretor do museu, o alemão Wilhelm König. Ele teve que retornar a sua terra natal em 1940, por motivos de saúde, mas, antes disso, publicou um artigo especulando que os misteriosos vasos podiam ser precursores perdidos da célula galvânica, talvez sendo utilizados para galvanizar camadas de ouro em peças de prata encontradas durante as escavações.
Cada vaso media cerca de 14 centímetros e era equipado com um pequeno tubo de cobre, construído a partir de uma folha de cobre enrolada, cercado por um bastão de ferro oxidado mas separado por um tampão de asfalto. Caso fosse enchido usando algum líquido ácido ou alcalino, como, por exemplo, suco de limão ou uva ou vinagre, muitos especialistas acreditam que ele poderia geral uma pequena mas considerável corrente — entre 0,8 e 2 volts, se as réplicas estiverem corretas. Esta voltagem geralmente não é poderosa o suficiente para os usos que König imaginou, como provaram os Mythbusters. Antropólogos acreditam hoje que essas peças serviam de suporte para chamas usando mercúrio. Alguns deles especulam que a Bateria de Bagdá poderia servir com um dispositivo milagroso na religião da época ou em cerimônias de cura.
“As baterias sempre atraíram o interesse, pois são raridades”, diz à BBC o especialista em metalurgia do Oriente Próximo antigo do Museu Britânico, Paul Craddock. “Elas são únicas. Até onde eu sei, ninguém encontrou nada deste tipo. Elas são esquisitas, completamente enigmáticas.”
Células galvânicas: o Darth Vader para o Luke das baterias modernas
Patas de sapo são divertidas. Não apenas como aperitivos, mas também porque têm tendência a espernear quando expostas à carga elétrica. Foi isso que Luigi Galvani descobriu em 1771, quando era professor na Universidade de Bolonha. Reza a lenda que ele estava tirando a pele de um sapo usando anzóis de cobre na mesma mesa em que ele já havia conduzido diversos experimentos de eletricidade estática. Seu assistente pegou um bisturi de metal da mesa (que, mesmo sem Galvani e seu assistente saberem, carregava uma carga elétrica estáticfa) e tocou acidentalmente um nervo ciático que estava exposto. O esbarrão produziu uma pequena fagulha e a perna do sapo se contraiu. Galvani, então, vislumbrou que a carga elétrica podia ser transportada por íons, não por fluídos ou pela atmosfera, como diziam as teorias anteriores.
No entanto, ele não entendeu isso e deduziu que a “eletricidade animal” tinha sido originada no próprio tecido, conduzida por um “fluído elétrico”. Este conceito incorreto iria impregnar por cerca de trinta anos os estudos do professor. Mesmo assim, a descoberta de Galvani de que dois metais, quando conectados por uma ponte salina e simultaneamente encostados num nervo iriam causar tal reação, iria pavimentar o caminho para o bateria elétrica moderna e o advento da célula galvânica.
Pilha voltaica
As incorreções conceituais de Galvani sobre a origem da eletricidade em seres vivos duraram até o fim da vida do professor. Acreditava-se que a “eletricidade animal” nascia num músculo próximo ao quadril. Alessandro Giuseppe Antonio Volta, professor de física experimental na Universidade de Pavia, foi um dos primeiros contemporâneos de Galvani a recriar seu famoso experimento com a perna do sapo e teve, inicialmente, as mesmas observações sobre as origens no quadril da eletricidade. Mas o que Volta percebeu e o que Galvani deixou passar é que a perna de sapo era também capaz de conduzir e detectar eletricidade.
Para provar este ponto, Volta construiu um dispositivo que ele chamou de “órgão elétrico artificial”. Empilhando alternadamente discos de prata e zinco separados por tecido embebido em salmoura, este arranjo criou um circuito e conduziria carga quando ligado a um fio. Como Volta escreveu a Sir Joseph Banks, o presidente da Royal Society of London, em 20 de março de 1800:
Desta maneira, eu continuo acomplando um prato de prata com um de zinco, e sempre na mesma ordem, quer dizer, a prata por baixo e o zinco por cima, ou vice-versa, de acordo como eu comecei, e interpondo entre eles um disco umidecido. Eu continuo até formar uma coluna o mais alta possível, sem risco de cair.
Enquanto tentava mimetizar uma função biológica, Volta inventou a pilha voltaica, a primeira bateria elétrica do mundo. Isso também o levou a descobrir a Lei das séries eletroquímicas — a força eletromagnética de uma célula galvânica depende da diferença do potencial elétrico dos eletrodos. É por isso que empilhar outras coisas que não sejam cobre e zinco não vai gerar uma corrente.
Células galvânicas consistem num par de meias-células, cada uma com um diferente eletrodo mergulhado numa solução eletrolítica para geral uma reação de óxido-redução e, consequentemente, carga elétrica. Ao contrário da célula eletrolítica, que necessita de um impulso elétrico para começar a funcionar, a reação de óxido-redução é espontânea. As células galvânicas foram empregadas inicialmente nas linhas telegráficas e hoje são encontradas, numa forma mais avançada, em baterias, medidores de pH e células de combustível.
A pilha voltaica, no entanto, não nos levou apenas a baterias. Sua invenção abriu caminho para inúmeras outras grandes descobertas científicas. William Nicholson e seu meio-irmão Anthony Carlisle construíram sua própria pilha voltaica e passaram a corrente através de uma calha d’água, o que os levou a descobrir que a eletrólise decompunha o H20 em seus elementos constituintes. Humphry Davy, no Reino Unido, usou sua própria pilha voltaica para demonstrar que a Lei de Volta era baseada numa reação química, não apenas na diferença de potencial dos eletrodos, assim como o funcionamento da eletrólise de Nicholson e Carlisle. William Hyde Wollaston provou que as eletricidades voltaica e estática eram a mesma coisa. E, apenas dois anos depois da criação, Vasily Petrov estava usando as pilhas para estudar arcos elétricos.
Mesmo sendo pioneira, a pilha de Volta não era muito prática — curtos circuitos eram comuns, assim como a formação de bolhas de hidrogênio. Falhas como estas levaram a uma série de tentativas de melhorar ou reimaginar a pilha. Para resolver a questão dos curtos-circuitos, William Cruickshank, professor de química na Royal Military Academy, simplesmente deitou a pilha numa caixa retangular isolada com pares de placas de zinco e cobre soldadas juntas. Essas placas eram espaçadas por toda a caixa e criavam células de contenção para a mistura eletrolítica de ácido sulfúrico diluído.
O problema de derramar também foi resolvido em 1812 com a invenção da pilha de Zamboni —também conhecida como a pilha seca de Duluc —, criada por Giuseppe Zamboni. Construída usando milhares de folhas alternadas de prata e zinco, a pilha de Zamboni usava óxido de manganês fixado com mel. O aparelho era encaixado sem folgas numa longa jarra de vidro e isolado com piche. Esta construção deu à pilha de Zamboni força na escala de Kilowatts. As versões mais modernas desta pilha são muito úteis para várias finalidades científicas e militares.
Talvez a melhor contribuição para o design original da pilha voltaica tenha vindo em 1866. Georges Leclanché descobriu que uma célula empregando um ânodo de zinco e um cátodo de dióxido de manganês ou carbono, ambos mergulhados num recipiente de cloreto de amônio, geraria 1,4 volts, um bom número, consideravelmente maior que os 0,4V da pilha original e equivalente a uma pilha alcalina moderna. Com mais vigor elétrico, a célula seca de leclanché rapidamente foi adotada nos primeiros sistemas telefônicos. O único problema era que a reação química que dava energia aos telefones também aumentava a resistência, fazendo com que a carga acabasse rapidamente. O processo podia ser revertido se a carga fosse removida da célula, mas você teria que falar rapidamente. Mais importante que isso é que a célula de Leclanché foi a base para as modernas baterias que dão energia para uma série de gadgets. [Smith University – Kenyon University – University of Houston – BBC – About – University of Wisconsin – Sparknotes – University of Rome – Wikipedia 1, 2, 3, 4, 5, 6 – Imagem da bateria de Bagdá: Smith University, Imagem das pernas de sapo: Monkey Business Images / Shutterstock, ]
Quantos tipos de bateria existem?
Baterias são divididas em duas grandes classes: primárias, que são descartáveis após serem usadas uma única vez, e secundárias, que podem ser recarregadas. As primárias são tipicamente construídas usando químicos alcalinos, zinco ou lítio. Elas são relativamente baratas de produzir e desenhadas para serem descartadas ou recicladas depois de gastar a carga inicial, mesmo não sendo ecologicamente corretas. As secundárias, por outro lado, são feitas de chumbo-ácido, níquel ou lítio-ion e tendem a ser mais caras que as primárias. Elas podem ser reutilizadas muitas e muitas vezes, o que as torna mais econômicas e ecologicamente corretas a longo prazo.
Mas, claro, esta não é a única classificação existente. As baterias também podem ser classificadas pelo tipo de célula em quatro grupos principais:
- Célula “úmida”: células úmidas são o tipo de bateria mais antigo existente e usam um eletrólito líquido para transportar os íons. Alguns dos primeiros exemplares eram simplesmente jarras de vidro abertas em cima e cheias de solução eletrolítica, na qual os eletrodos eram enfiados. Mesmo tendo sido substituídos por baterias secas na maior parte dos casos, células úmidas ainda são empregadas como baterias de carros e experimentos químicos caseiros. Podem ser usadas tanto com baterias primárias quanto como secundárias.
- Célula seca: células secas funcionam como as úmidas, com uma diferença: a solução eletrolítica existe na forma pastosa, com apenas a umidade suficiente para conduzir a carga, fazendo com que ela não vaze ao cair. Estas células, desenvolvidas a partir da célula pioneira de Leclanché, também podem ser usadas como primárias ou secundárias e são geralmente muito mais seguras que as úmidas.
- Sal derretido: esta não é uma tecnologia que você vai encontrar em breve no seu relógio de pulso nos próximos anos. Estas baterias são usadas por indústrias especializadas e usam sais, superaquecidos a ponto de estarem no estado líquido, como eletrólitos. A densidade de energia produzida é tão grande quanto o processo é perigoso, mas ela pode ser, em potencial, empregada em veículos elétricos.
- Reserva: reservas são todas as baterias sem eletrólitos, o que as torna perfeitas para uso num curto espaço de tempo e estocagem a longo prazo. Separando os eletrólitos do resto da bateria, a célula não vai se descarregar sozinha enquanto estiver guardada. Estas são as mais comuns em aplicações militares e científicas.
O que todos os tipos de bateria tem em comum — desde as pequeninhas de relógios até as gigantescas das empresas de telefonia — é que elas são o exemplo mais comum de células eletroquímicas voltaicas (bem, tecnicamente, elas são uma coleção de múltiplas células trabalhando em uníssono, mas enfim). Uma célula eletroquímica é um dispositivo que produz carga elétrica a partir de uma reação química. Cada célula compreende três elementos básicos: dois eletrodos — um positivo e um negativo — e uma solução eletrolítica para transportar íons entre eles durante uma reação de óxido-redução que libera elétrons dos átomos das substâncias envolvidas. Se uma célula produz dois tipos de eletrólitos, pontes salinas podem também ser usadas para prover contato iônico e prevenir que as duas soluções se misturem.
Reações de óxido-redução são bem comuns por toda a natureza, incluindo todas as reações em que a oxidação de um átomo ocorre (leia-se: quando elétrons são transferidos). Isto ocorre quando o corpo humano oxida glicose durante o processo metabólico, quando o carbônico é reduzido pelo hidrogênico criando metano, ou quando o metano reage com o oxigênio e formando, por oxidação, dióxido de carbono e água (o carbono é oxidado, dando elétrons para o oxigênio). Estas reações são essencialmente um par de semirreações que ocorrem simultaneamente e formam uma reação completa. Durante a redução, o átomo ganha elétrons, diminuindo seu número de oxidação, e, por outro lado, durante a oxidação, o átomo perde elétrons, aumentando seu número de oxidação. Nas baterias, as duas metades da reação estão separadas intencionalmente, para que os elétrons gerados no eletrodo positivo sejam forçados a viajar através de um circuito para chegar ao polo negativo, fornecendo energia para nossos gadgets no caminho.
Com tantos tipos de baterias e aplicações diferentes, como nós podemos comparar com precisão a performance delas? A resposta está na capacidade delas. Medida em miliampères-hora (mAh), a capacidade de uma bateria é a capacidade total de armazenamento de energia. Então, se uma bateria tem 2.500 mAh, como muitas das pilhas AA, ela deve entregar 2500 mA de energia por uma hora. Mesmo assim, comparar baterias pela capacidade só dá certo quando elas são de mesmo tamanho e composição. A composição química e o tipo de dispositivo em que as baterias são usadas têm um papel significante no quanto uma bateria dura. Pilhas alcalinas primárias têm normalmente maior capacidade (cerca de 2500 mAh) mas são melhor aproveitadas se usadas em coisas que gastam a energia aos poucos, como brinquedos de crianças. Já as baterias secundárias de lítio, por outro lado, têm uma capacidade normalmente menor (2000 mAh) mas apresentam melhor performance e duração que as descartáveis quando usadas em dispositivos que precisam de muita energia, como câmeras digitais. Então, fica a dica: deixe as pilhas recarregáveis para seus próprios brinquedos.
[Kenyon – Wikipedia 1, 2, 3, 4 – Nuclear Power Training – Energizer 1, 2 – Battery University –All Battery]
Era moderna: baterias primárias
Pilhas alcalinas, nome dado às baterias primárias que usam zinco, são as mais usadas no mundo, dominando 70% do mercado de baterias primárias em 2011, com 10 bilhões de unidades produzidas no mundo todo. A expectativa é que elas movimentem cerca de 5,4 bilhões de dólares nos EUA em 2015. Não é ruim, se pensarmos que elas estão aí desde os anos 50.
Células primárias que usam materiais alcalinos no lugar de ácidos como solução eletrolítica existem desde o início do século XX, graças a descobertas independentes e ao trabalho de Waldemar Jungner e Thomas Edison. No entanto, os créditos da invenção ficaram com Lewis Urry, um pesquisador da empresa responsável pelas baterias EverReady. Nas pilhas alcalinas, o ânodo é feito de pó de zinco (o que aumenta a área de superfície e ajuda a conduzir eletricidade) e o cátodo, de dióxido de manganês misturado com carbono. As alcalinas são diferentes das outras baterias que usam ânodos de zinco por causa de seu eletrólito único, que usa hidróxido de potássio em vez de cloreto de amônio ou cloreto de zinco. Esta diferença permite que as alcalinas tenham uma maior densidade de energia e durem mais, seja em uso ou guardadas, que as ácidas, entregando a mesma voltagem — entre 1,55 e 1,7V inicialmente, caindo para 0,8V. Em geral, as alcalinas têm de 3 a 5 anos de vida, quando guardadas, contra apenas de 2 a 3 das de zinco.
Zinco-carbono e zinco-cloreto são duas das ácidas mais comuns. As de zinco-carbono existem desde 1886, quando o Dr. Carl Gassner patenteou uma célula seca de Leclanché usando um bloco comprimido de dióxido de manganês cercado por zinco, que também agia como ânodo. Como eletrólito, Dr. Gassner dissolveu cloreto de amônio na água e misturou com gipsita, para criar um gel. Baterias de zinco-carbono foram as primeiras células secas a serem vendidas, em 1900, quando a EverReady começou a vendê-las. Elas ainda são as baterias mais baratas de produzir e vender. No entanto, elas se dão melhor com aparelhos que gastam pouco e de maneira intermitente, como controles remotos, lanteras e relógios. Como são baratas, é bem comum algumas delas virem com estes aparelhos.
Entre as três, as de zinco-carbono são, de longe, as mais fracas. As de zinco-cloreto, nas quais o cloreto de amônio é substituído por um eletrólito mais condutivo para uma saída mais forte, pesam 20% a mais que as de zinco-carbono, oferecem 50% a mais de densidade de energia, suportam melhor aparelhos que gastam muito, têm uma vida útil maior quando guardadas (entre 2 e 3 anos) e funcionam melhor em baixas temperaturas. As alcalinas são melhores que as outras duas, oferecendo entre 3 e 5 anos de vida útil quando guardadas, 500% a 700% da capacidade de energia e trabalham sem degradação significante em altas temperaturas.
No entanto, as alcalinas são ultrapassadas por outra forma de bateria primária: as de lítio não-recarregáveis. Estas baterias são construídas com ânodos de lítio ou lítio e sulfeto de ferro (II) e cátodo de dióxido de manganês em suspensão numa pasta eletrolítica de sal de lítio dissolvido. Este tipo de bateria também é conhecido como lítio “compatível com voltagens”, já que podem produzir voltagens entre 1,5V e 3,7V, apesar de que, infelizmente, estas baterias usam uma forma metálica de lítio em seus eletrodos que as impede de recarregar. Você pode encontrálias no mercado como Energizer Lithium ou Rayovac Lithium Photo. Elas oferecem mais que o dobro da vida operacional das alcalinas em dispositivos de alta descarga, graças a sua alta capacidade e pequena resistência interna, e praticamente não descarregam sozinhas, o que permite que sejam guardadas por até dez anos. Entretanto, são consideravelmente mais caras que as alcalinas e não podem ser recarregadas.
[PR Newswire – Wikipedia 1, 2, 3 – Energizer – eHow – Radioshack – Battery University – Imagem:f-f-f-f / Shutterstock, Vladimir Arndt / Shutterstock]
Como tirar o máximo de suas baterias primárias
Há muitas coisas que você pode fazer para tirar até o último volt de suas baterias primárias. Guardá-las no refrigerador é um método, talvez o mais conhecido. A baixa temperatura do congelador desacelera as reações químicas que ocorrem na bateria, reduzindo a velocidade do descarregamento e estendendo a vida da bateria quando guardada em até 5%. Você deve colocar as pilhas numa embalagem à prova de umidade para evitar corrosão e aquecê-las de volta à temperatura ambiente antes de usá-las.
Fabricantes como Duracell e Energizer, no entanto, desaconselham esta prática, citando potencial de corrosão ou danos à selagem por causa da umidade em troca de nenhuma vida adicional. Em vez disso, as empresas recomendam guardar as pilhas entre 20 e 25 °C e entre 35% e 65% de umidade. Nestas condições, as alcalinas devem durar entre cinco e sete anos, as de zinco-carbono, entre três e cinco, e as de lítio, entre dez e 15.
Por outro lado, pilhas descartáveis nunca devem ser guardadas em temperaturas acima de 27°C, sob risco de aumentar a velocidade de autodescarga e diminuir drasticamente a expectativa de vida. Elas também não devem ser, em nenhuma circunstância, recarregadas. Tentar recarregar uma pilha primária pode fazê-la explodir, e isso não é muito divertido.
[Wikipedia – Energizer – Duracell]
Era moderna: recarregáveis
Baterias secundárias existem há tanto tempo quanto as primárias, mas são capazes de reverter a reação de produção de íons oxidando o cátodo e reduzindo o ânodo na presença de uma corrente reversa. Em outras palavras, quando você recarrega uma pilha, você está revertendo o fluxo dos elétrons no circuito. Os três tipos mais comuns de químicos empregados — chumbo-ácido, níquel e lítio-íon — estão presentes em todos os lugares hoje em dia, fornecendo energia para celulares, laptops, carros e servidores, entre muitas outras coisas.
Gaston Plante inventou a mais antiga tecnologia de baterias recarregáveis, a célula úmida de chumbo-ácido, em 1859. Estas baterias usam eletrodos de chumbo — um de chumbo, outro de pasta de dióxido de chumbo — submersos em uma mistura de ácido sulfúrio e água. Diferentemente das baterias de níquel e lítio, o eletrólito das baterias de chumbo-ácido faz mais que apenas atuar como um transmissor entre os polos mas contribui ativamente com elétrons para o processo. Quando a bateria descarrega a corrente, o eletrólito e as chapas oxidam, dando elétrons para produzir água e sulfato de chumbo. Reverter a corrente também faz com que a reação seja revertida, produzindo eletrólito e chumbo, que reforma o eletrodo.
Baterias de chumbo-ácido não são muito eficientes. Elas possuem uma capacidade assombrosamente baixa, dado seu peso e volume. O que elas têm, no entanto, é potência. Elas são capazes de entregar voltagens que nenhuma outra bateria pode. Isso as faz uma péssima escolha para um carro híbrido (imagine um monte de ácido sulfúrico vazando), mas são ótimas para dar a partida no motor. É por isso que a maioria das baterias automotivas e marítimas no mercado hoje são desse tipo.
Elas também são ótimas em segurar carga, o que as torna ideais para aparelhos intermitentes, como sinais de ferrovias, onde elas duram até 25 anos, e para lugares onde peso não é um problema, como reservas para hospitais, centros de telecomunicações e servidores. A Marinha Americana usa esse tipo de baterias em seus modernos submarinos nucleares.
Nos anos 70, esta tecnologia sofreu uma mudança considerável com o advento da bateria de chumbo-ácido regulada por válvulas, mais conhecida como “selada”, que usa eletrólito suspenso em gel em vez de líquido, o que permite que ela seja usada em qualquer posição. Elas não são literalmente seladas, claro. Quando este tipo de bateria descarrega, gera oxigênio no polo positivo, que se combina com o hidrogênio gerado no polo negativo para gerar água. Isso é ótimo, porque tira a sua responsabilidade de colocar água na bateria. E, caso muito hidrogênio seja produzido, as células são equipadas como válvulas sensíveis para liberar a pressão excessiva causada pela sobrecarga. No entanto, se estas válvulas falharem ou estiverem quebradas, a bateria pode explodir.
Existem dois tipos de baterias seladas: esteira de vidro absorvido (ou AGM, da sigla absorbed glass mat) e gel. As AGM suspendem o eletrólito numa esteira separadora de fibra de vidro com placas próximas de cada lado para melhorar a eficiência. Estas baterias, que custam o dobro de uma top de linha, são geralmente encontradas no armazenamento de energia solar e em carros. Como não tem eletrólito líquido, elas são apropriadas para climas frios — estações de monitoramento do Ártico, por exemplo — já que elas não congelam como as úmidas.
As baterias de gel, por outro lado, têm eletrólitos misturados com pó de sílica para formar um gel imóvel. Isto permite que elas sejam usadas nos ambientes mais adversos e suportem baixas temperaturas, choques e vibrações melhor que as células úmidas. Elas também têm uma vida maior quando guardadas e são mais confiáveis.
As baterias seladas, por outro lado, têm grandes obstáculos. Um deles é o preço, que pode ser entre duas, no caso das AGM, e cinco, no caso das de gel, vezes maior que uma célula úmida. Elas também recarregam mais lentamente e numa voltagem menor que a células molhadas devido à presença de cálcio nas placas para reduzir a perda de água. Sendo “seladas”, não há como checar a concentração do eletrólito. E, comparadas às células úmidas, estas baterias são muito menos tolerantes a altas temperaturas e a sobrecargas, coisas que reduzem consideravelmente suas vidas operacionais.
[Wikipedia 1, 2, 3 – AZ Solar Center – Nuclear Power Training – AV8N – Imagem: Ensuper / Shutterstock]
Como tirar o máximo da sua bateria de chumbo-ácido
Baterias de carro desse tipo levam uma vida dura e raramente duram mais que cinco ou seis anos, mesmo nas condições ideais. Além disso, há muitos jeitos de elas falharem. Mas, fazendo uma manutenção básica, você consegue fazer a bateria do seu carro durar tanto quanto o financiamento dele.
Este tipo de bateria pode sofre corrosão de partes externas, como terminais de cabos e conectores, causada pelo contato com o eletrólito que transbordou (seja por ação humana, seja pelo tempo quente, que faz com que os fluídos se expandam) ou pelo vazamento de gases ácidos. Se sua bateria não é selada, tome cuidado para não enchê-la demais e use apenas água destilada. Se você notar um pó azul ou branco se formando nos conectores da bateria, desconecte-a do sistema elétrico do carro e limpe o lado de fora da bateria usando uma mistura de bicarbonato de sódio e água (quatro colheres por litro). Depois de colocar a bateria de volta, certifique-se de que ela está no lugar, então limpe e aperte os terminais dos cabos. Colocar graxa de alta temperatura ou vaselina nos terminais também ajuda a minimizar a corrosão futura.
Baterias de chumbo-ácido são pensadas para dar pequenas doses de alta energia, não longos períodos de descarga. O sulfato que se forma nas placas de chumbo quando ela descarrega (um processo conhecido como sulfatação) é isolante elétrico, o que aumenta a resistência interna da bateria e diminui a corrente máxima, diminuindo a vida operacional. Estas baterias devem ser recarregadas quando chegam a 70% da capacidade e não se pode deixá-las ficar abaixo de 20%, pois o calor gerado pela resistência interna aumentada danifica a bateria quando ela carrega. Para maximizar a vida dela, especialmente se ela vai ser guardada por longos períodos de tempo (até dois anos), você deve aplicar, de vez em quando, uma carga de compensação de temperatura na bateria usando um carregador de manutenção. Se você esquecer de checar e recarregar sua bateria guardada por um tempo, não jogue fora. Aplicar uma carga de equalização pode reverter o processo de sulfatação, em alguns casos. Como a Battery University explica, você deve primeiro medir a carga de cada célula individual:
Um método é aplicar uma carga saturada e então comparar as leituras de gravidade específica (SG) nas células individuais. Só aplique a equalização se a diferença das SG for de 0,030. Durante a carga de equalização, cheque as mudanças na leitura da SG a cada hora e desconecte quando a gravidade parar de aumentar. Essa é a hora em que não dá mais para melhorar, e continuar carregando danifica a bateria. Ela deve estar num local fresco e sob observação para aquecimento incomum ou sopro excessivo. Algum sopro é comum e o hidrogênio emitido é altamente inflamável. A bateria deve estar num lugar bem ventilado. Equalizar baterias seladas envolve fazer suposições. É essencial ter um bom julgamento ao estimar a frequência e a duração do serviço. Alguns fabricantes recomendam equalizações mensais por entre 2 e 16 horas. Muitas das baterias seladas expelem hidrogênio a 5 libras, e sopros repetidos levam ao decréscimo do eletrólito, que pode secar a bateria.
[Wikipedia 1, 2 – Battery University]
Baterias de níquel
A bateria úmida de chumbo-ácido reinou entre as recarregáveis por quarenta anos. Em 1899, o inventor sueco Waldemar Jungner criou a célula de níquel-cádmio. As células úmidas de Ni-Cd eram mais poderosas e resistentes que as de chumbo-ácido. Infelizmente, poucas pessoas nos EUA conheciam Jungner ou seu trabalho, então a descoberta passou batida até 1902, quando Thomas Edison criou sua própria célula de níquel-cádmio.
Em 1946, a tecnologia evoluiu do tipo “de bolso”, com eletrodos em caixinhas de aço, para o tipo moderno “rocambole”, cujas placas são criadas pela compressão do pó de níquel num disco fundido, usando pressões imensas para derreter o metal. Isto produz um material extremamente poroso, que pode ser banhado em níquel aquoso e cádmio criar o ânodo e o cátodo. Baterias NiCd existem em vários tipos de tamanhos. A maior bateria do mundo, em Fairbanks, Alaska, é desse tipo. E, unindo as duas placas usando um eletrólito pastoso, elas podem ser usadas em baterias AA e AAA, provendo uma corrente máxima muito maior e uma resistência mínima muito menor que as similares alcalinas.
Baterias NiCd usam eletrodos de óxido de níquel e e cádmio metálico. Elas descarregam numa voltagem mais baixa que alcalinas ou de zinco — 1,2 versus 1,5 volts, respectivamente —, mas sua composição química permite que elas operem em temperaturas baixas ou em aplicações de alta descarga sem sacrificar a vida útil e a capacidade. Por outro lado, baterias desse tipo são mais caras que de chumbo-ácido, descarregam sozinhas mais facilmente e podem não funcionar direito em alguns dispositivos pensados especificamente para pilhas alcalinas, devido a voltagem e capacidade menores. E, mesmo fornecendo mais força, o cádmio é um material caro e ecologicamente agressivo. Este é um dos principais motivos de sua substituição por baterias de níquel-hidreto metálico.
Pilhas de níquel-hidreto metálico (ou NiMH) são muito parecidas com as NiCd na construçao, ambas usando cátodos de óxidróxido de níquel, e na produção de uma voltagem de 1,2V. No entanto, elas substiuem o ânodo de cádmio por um feito de uma liga que absorve hidrogênio, feita de uma mistura de materiais raros (combinando latânio, cério, neodímio e praseodímio ou níquel, cobalto, manganês e/ou alumínio) e usam um eletrólito alcalino, normalmente hidróxido de potássio. Isso garante que as baterias NiMH tenham entre 200% e 300% da capacidade de uma NiCd e uma corrente próxima de uma célula de lítio. Em algumas aplicações de alta performance, o ânodo pode ser feito de um composto de titânio ou zircônio, que aumenta ainda mais a capacidade.
O desenvolvimento da NiMh começou em 1967, no Battelle-Geneva Research Center, e levou duas décadas até a primeira bateria do tipo chegar ao mercado, em 1989. A tecnologia também conquistou um interesse considerável nos anos 70 por significar uma alternativa barata e compacta de guardar hidrogênio para ser usado em satélites. Hoje, este tipo de baterias está nos dois milhões de veículos híbridos pelo mundo, substituiu completamente as baterias NiCd na União Europeia e é usada regularmente em aplicações de alta performance, que acabariam com uma alkalina em segundos.
Apesar de eficientes, baratas e ecologicamente corretas, as baterias deste tipo descarregam sozinhas facilmente. Uma bateria de NiMH guardada pode perder 20% de sua carga em um dia, e 4% por semana. Algumas variantes da fórmula da NiMH de baixa autodescarga estão disponíveis, mas elas têm 20% a menos de capacidade para conseguir isso. Além disso, este tipo de bateria tem fama de ser sensível ao calor, que reduz drasticamente a vida operacional delas.
[Wikipedia 1, 2, 3 – Solar Journey USA – Battery University – Imagem: Photo Intrigue /Shutterstock.com]
Como tirar o máximo de suas baterias de níquel
Baterias de níquel seladas são o tipo mais comum para consumidores e não precisam de muito no que diz respeito à manutenção geral para continuarem funcionando. No entanto, há muito que você pode fazer para deixá-las com a melhor performance. Baterias NiCd, por exemplo, podem ser carregadas em frequências variáveis dependendo da construção da célula, indo de 14 horas a apenas 10 minutos. No entanto, assim, que crescem os ampères-hora, cresce também a resistência interna (o que gera calor e diminui a transferência de elétrons) e a chance de sobrecarga (que, de novo, gera calor e pode danificar a célula). Portanto, você deve comprar um carregador compatível com elas, que desliga sozinho quando a bateria fica muito quente.
As baterias de NiCd também tendem a descarregar sozinhas, apesar de não no mesmo grau das NiMH. assim, se você precisa guardar uma NiCd por muito tempo, é melhor gastá-la até ficar com 40% da carga antes de colocá-la num lugar fresco. Alguns fabricantes recomendam gastar toda a carga e, então, dar um curto-circuito nos polos para guardas as pilhas por um longo período de tempo —cheque o site do fabricante da sua pilha para ver se ele recomenda isso mesmo! Mesmo quando elas não precisam ser jogadas no lixo, baterias NiCd (e todas as secas) se dão bem com discarga total para prevenir o efeito-memória — uma vez a cada 30 ciclos deve dar conta disso. Se estes passos forem seguidos, as pilhas NiCd duram até cinco anos guardadas. Já as NiMH, apenas três.
Íons de lítio: a bateria do amanhã, porém hoje
A maioria das baterias de íons de lítio, como as presentes no laptop ou tablet que você está provavelmente usando para ler isto, usam um ânodo simples de carbono e uma mistura de eletrólitos altamente condutora de carbonato de etileno ou carbonato dietílico. Elas diferem dos seus primos não-recarregáveis, no entanto, porque as baterias de íons de lítio são capazes de reverter suas reações químicas, graças a um cátodo feito de óxido de lítio-cobalto. Basicamente, o ânodo de uma bateria recarregável de íons de lítio é feito de muitos milhões de lâminas microscopicamente finas de grafite de carbono, empilhados uns sobre os outros. Quando estas baterias descarregam, os íons positivos de lítio são transportados do ânodo e depositados na matriz do cátodo enquanto o cobalto é oxidado. Quando você carrega a bateria, o processo é invertido: o cobalto é reduzido, e os íons de lítio retornam para o ânodo.
A bateria de lítio metálico que Whittingham desenvolveu nos anos 1970 fornecia uma densidade de energia impressionante e, durante os anos 80, muitas empresas tentaram desenvolver uma versão recarregável com base na química do mesmo. Infelizmente, o lítio é um metal inerentemente instável e é propenso a fuga térmica – quando os gases flamejantes vigorosamente saem da bateria quando sobrecarregada. A resistência interna aumentaria tão rapidamente e geraria tanto calor que o lítio na célula iria derreter, e rotineiramente explodia. Durante a fuga térmica, o calor intenso da célula se espalha para a próxima célula, desencadeando uma reação em cadeia. Recalls dessas células iniciais eram comuns durante os anos 80, 90 e na primeira década do século XXI. Como resultado, os pesquisadores substituíram o lítio metálico volátil por uma mistura mais estável de material contendo íons de lítio. John Goodenough e K Mizushima são creditados pela criação do lítio recarregável em 1979, quando eles demonstraram com sucesso uma célula usando a mesma fórmula de óxido de lítio-cobalto (LCO) que hoje é utilizada bastante. A Sony lançou a primeira bateria comercial de íons de lítio em 1991. As baterias de lítio íon normalmente possuem um destes quatro formatos: cilindro pequeno, como as presentes em laptops; cilindro grande, que não são amplamente disponíveis; bolsa, que possuem corpo mole e oferecem a maior densidade de energia das quatro (por isso são frequentemente encontradas em celulares); e prismáticas, células armazenadas em corpos de plástico semirrígidos e muitas vezes empregados em sistemas automotivos elétricos.
Baterias LCO oferecem numerosas vantagens em relação a células à base de níquel. Células de lítio são menores, mais leves, mais energeticamente densas, e capazes de operar dentro de uma faixa de temperatura muito mais ampla do que outras recarregáveis – algo essencial em gadgets e dispositivos móveis de alta tecnologia, mas com gasto alto de energia. Além disso, baterias de íons de lítio têm uma taxa muito mais baixa de autodescarga do que outras baterias secundárias. LCOs perdem 5% da carga por mês, comparado a mais de 30% em um mês para as células NiMH, e 10% em um mês para baterias de NiCd.
Elas, no entanto, sofrem com algumas deficiências significativas. A química do lítio recarregável é mais cara de fabricar e reciclar que que o NiCd. Além disso, não faltam jeitos nos quais as baterias de íon de lítio podem falhar, especialmente LCOs: sobrecarregá-las resulta em fuga térmica e, potencialmente, em falha catastrófica; mas descarregá-las demais provoca curtos-circuitos. Para combater este problema, todas as baterias de íons de lítio estão equipadas com um circuito limitador de proteção sensível ao calor, evitando que a bateria carregue ou descarregue rápido demais. Infelizmente, este circuito consome uma pequena quantidade de corrente, o que acelera a taxa de autodescarga. Elas também tendem a desenvolver resistência interna à medida que envelhecem, tornando a bateria inútil depois de alguns anos ou algumas centenas de ciclos de recarga.
Como o componente de cobalto na bateria LCO lítio aumenta os custos de produção e de reciclagem, o grupo de pesquisa de John Goodenough na Universidade do Texas desenvolveu em 1996 uma química alternativa usando fosfato de lítio-ferro (LiFePO4 ou LFP) como cátodo, em vez de óxido de cobalto. Enquanto essas baterias não tem a mesma densidade de energia de seus primos de cobalto, a LFP é inerentemente mais estável, com ligações químicas mais fortes do que a presente entre cobalto e oxigênio. Sua composição rica em ferro o deixa mais termicamente estável, com uma vida útil mais longa e maior taxa de descarga do que o lítio com cobalto. Além disso, como ela é feita a partir de materiais não-tóxicos e facilmente disponíveis, isso a torna mais fácil e 14% mais barata de produzir do que LCOs. Como tal, as baterias LFP são mais suscetíveis de serem encontrados em automóveis fabricados pela Aptera e QUICC, bem como uma série de fabricantes especializadas em motocicletas elétricas, além de aplicações avançadas industriais – em vez de gadgets modernos. Uma exceção notável é o projeto Um Laptop por Criança (OLPC), que escolheu LFPs porque a sua natureza não-tóxica está em conformidade com as Restrições da União Europeia para Substâncias Perigosas.
A terceira forma de bateria Li-Ion usa óxido de lítio-manganês para seu cátodo. Desenvolvida em 1996, ela tem uma alta estabilidade térmica – capaz de descarregar 20-30 ampères sem ficar quente – e baixa resistência interna, o que não só a torna a bateria Li-ion mais segura e estável, como também é ideal para aplicações de recarga rápida e alta corrente de descarga – ferramentas avançadas, e-bikes, veículos elétricos e dispositivos médicos – além de dispensar grande parte das medidas de segurança necessárias nas células com base de cobalto. A principal desvantagem do óxido de lítio-manganês é a sua capacidade insignificante de energia em comparação a LCOs. Uma bateria de manganês com tamanho 18650 normalmente carrega cerca de 1200mAh de energia, quase metade do que uma LCO com tamanho similar pode conter.
[Wikipedia – BattCon – Battery University 1, 2 – EE Times – Solar Journey USA – Imagem: robert_s / Shutterstock]
Como tirar o máximo proveito de sua bateria de íons de lítio
Em condições normais de uso, uma bateria Li-ion vai durar entre três e cinco anos antes da resistência interna ficar alta o suficiente para inutilizar suas células. Este efeito de envelhecimento não depende apenas do número de ciclos de carga, mas também da temperatura ambiente.
Felizmente, minimizar isto e estender a vida útil da sua bateria requer pouco: mantenha sua bateria em temperatura fresca, e totalmente carregada. Como o aumento da resistência piora à medida que a bateria descarrega – e degrada rapidamente a capacidade da célula – deixá-la regularmente no 100% de carga é a maneira mais fácil de maximizar a vida operacional da sua bateria. Isso não quer dizer que a bateria deve ser mantida perpetuamente em sua tensão de carga máxima, muito pelo contrário: na verdade, todas as baterias secundárias (que não sejam de chumbo-ácido) exigem um período de descanso após o carregamento para evitar estresse.
Deixar a bateria descarregada não é a única condição que prejudica as Li-ion: temperaturas elevadas podem ser ainda mais prejudiciais. Na verdade, deixar um celular num painel quente de carro, ou manter um laptop quente por longos períodos de tempo fará com que as células oxidem, diminuindo drasticamente a capacidade da bateria e reduzindo sua vida útil para até 48 meses. Assim, os íons de lítio só deve ser armazenados e utilizados à temperatura ambiente.
Para armazenamento a longo prazo, um pouco de carga ajuda bastante a Li-ion. Ao contrário das células de chumbo-ácido, que exigem um carregador de carga lenta para manter seus níveis de tensão, baterias de lítio e de níquel na verdade armazenam melhor a energia quando em carga parcial. Muitos fabricantes recomendam deixar a bateria em 40% se você está pensando em deixá-la numa prateleira por mais do que alguns meses. Esse nível permite um grau razoável de autodescarga, mantendo energia suficiente em reserva para manter o circuito de proteção.
[Battery University – Wikipedia]
O futuro das baterias
As baterias de íons de lítio se tornaram o formato dominante em modelos recarregáveis dominantes graças à sua densidade de energia relativamente alta. Mas, à medida que emergem outras aplicações para o li-ion – como energia elétrica “inteligente” e veículos eléctricos – continua a crescer, os produtos químicos que usamos hoje não serão capazes de acompanhar o amanhã. Por isso, pesquisadores já estão trabalhando duro para desenvolver misturas metálicas exóticas, como o lítio-silício – cujo volume aumenta em 300% em carga máxima, e encolhe à medida que é consumida. Como explica Gao Liu, da Divisão de Tecnologias em Energia Ambiental (EETD) do Berkeley Lab:
A maioria das baterias de lítio atuais têm ânodos de grafite, que é eletricamente condutor e se expande apenas modestamente quando abriga os íons entre suas camadas de grafeno. O silício pode armazenar 10 vezes mais – ele tem, de longe, a maior capacidade entre os materiais de armazenamento envolvendo íons de lítio – mas incha mais de três vezes o seu volume quando totalmente carregado.
Baterias de lítio-ar, que oxidam o lítio enquanto reduzem o oxigênio para gerar corrente, foram inicialmente concebidas na década de 1970, mas apenas recentemente se tornaram viáveis, graças aos avanços recentes na ciência de materiais. Estas baterias possuem uma densidade de energia enorme, potencialmente capaz de rivalizar com motores de combustão interna. Outros pesquisadores já estão olhando além da bateria e buscando tecnologias alternativas, como ultracapacitores que “armazenam energia com uma carga estática que ressoa sobre uma grande superfície de material na construção do produto”, explicou Mark McGough, CEO da Ioxus, ao Green Tech Media. Combinações químicas radicalmente diferentes, como a bateria PolyPlus – que utiliza o oxigênio na água da torneira para tirar íons de lítio através de um circuito – é uma bateria que só funciona quando molhada.
[NBC News – Business Week – Green Tech Media – The Atlantic – Dept of Energy – Wikipedia– IBM – Imagem: Foto-Ruhrgebiet / Shutterstock]
