Guia Completo sobre Pilhas e Baterias

Uma bateria é uma série de células eletrolíticas usadas para gerar uma corrente elétrica contínua ou direta. Existem pilhas (células primárias) e baterias secundárias (acumuladores). As chamadas células primárias, ou pilhas, como são comumente conhecidas, produzem eletricidade por meio de um processo químico irreversível e, quando esgotadas, devem ser descartadas e substituídas. Já as células secundárias, comumente chamadas de acumuladores, agem de acordo com um princípio reversível e podem ser recarregadas conectando-as a outra fonte adequada de energia elétrica.

Cada célula possui dois eletrodos imersos em um eletrólito. O eletrólito é uma substância, normalmente líquida, que conduz eletricidade devido ao seu grande número de íons dissociados. Estes são átomos que perderam ou ganharam elétrons e, portanto, possuem carga elétrica. Exemplos conhecidos de eletrólitos são soluções de ácidos, bases e sais.

Quando dois eletrodos adequados estão imersos em um eletrólito, ocorre um excesso de elétrons em um eletrodo (negativo) e uma deficiência de elétrons no outro (positivo). Essa diferença de carga elétrica entre os eletrodos gera uma diferença de potencial entre eles, o que pode produzir uma corrente elétrica através de um circuito condutor externo que liga os dois eletrodos. O fluxo real de elétrons ocorre do eletrodo negativo para o eletrodo positivo, mas, por convenção histórica (visto que os elétrons foram descobertos muito depois da invenção das células eletrolíticas), convencionou-se que a corrente flui do positivo para o negativo.

A Bateria Primária

Algumas experiências no século XVIII levaram à descoberta de que, quando dois materiais diferentes, como o zinco e o carvão (ou o cobre, usado no lugar do carvão), estão imersos em uma solução ácida (por exemplo, ácido sulfúrico diluído em água), a ação química produz uma força eletromotriz entre eles. Os materiais imersos no ácido são chamados de eletrodos: o zinco é o negativo e o carvão (ou cobre) é o positivo. A solução ácida diluída é chamada de eletrólito, e o conjunto é denominado pilha. Muitas vezes confunde-se a pilha com a bateria, mas a pilha é a unidade básica, enquanto duas ou mais células associadas constituem uma bateria.

As células ou pilhas podem ser úmidas ou secas, dependendo de o eletrólito consistir em um líquido ou em uma pasta. A célula úmida original, chamada de célula voltaica em homenagem ao cientista italiano Alessandro Volta (que criou a primeira pilha utilizando discos de zinco e cobre separados por camadas de feltro embebidas em ácido diluído), contém eletrodos de zinco e carbono (ou cobre) imersos em um eletrólito de ácido sulfúrico. A pilha seca moderna possui um eletrodo negativo de zinco (que forma o revestimento externo) e um eletrodo positivo de carbono. O eletrólito é uma pasta grossa constituída por uma mistura de grafite, cloreto de amônio e dióxido de manganês. Esse tipo de pilha é baseado na célula de Leclanché, inventada pelo cientista francês Georges Leclanché.

Quando os polos positivo e negativo são conectados externamente, uma corrente elétrica é gerada. Na pilha, o eletrodo de zinco dissolve-se lentamente enquanto ela está funcionando. Pode-se chegar ao ponto em que o zinco se corrói tanto que a pilha falha. Quando se atinge esse ponto, a pilha chega ao fim de sua vida útil. Em outras palavras, a pilha primária tem uma duração limitada, após a qual sua operação não pode retornar às condições normais.

Bateria de Zinco-Carbono (Leclanché)

A pilha mais popular e utilizada é do tipo zinco-carbono, às vezes chamada de Leclanché. Nessa pilha, o eletrodo positivo é o de carbono (C) e o negativo é o de zinco (Zn). O eletrólito é um composto químico conhecido como cloreto de amônio (NH₄Cl), frequentemente chamado de sal amoníaco. O eletrodo negativo tem o formato do próprio recipiente e contém toda a pilha. O elemento positivo tem a forma de uma barra de carbono e é colocado no centro da pilha. O eletrólito é misturado com amido ou farinha para formar uma pasta (por isso é chamada de célula seca, embora não seja totalmente "seca"). Quando o eletrólito seca, a pilha para de funcionar.

Quando a pilha está funcionando corretamente, surge entre o polo positivo e o negativo uma diferença de potencial (tensão) de 1,6 volts. Quando a pilha está "acabando", seja porque o eletrólito secou ou porque o invólucro de zinco se desgastou, a tensão nos terminais diminui para cerca de 1,1 volts.

Essas pilhas tornam-se inúteis após descarregadas para a maioria das aplicações, não podem ser recarregadas e devem ser descartadas. Diferentes combinações de metais e eletrólitos podem resultar em diferentes tensões entre os terminais.

Funcionamento da Bateria

Ao ligar um fio condutor entre os terminais de uma pilha seca de zinco-carbono, ocorrem reações químicas. No eletrólito (NH₄Cl), estão presentes íons de amônio (NH₄⁺) e íons de cloreto (Cl^-). Quando o zinco entra em contato com o eletrólito, os íons de zinco (Zn²⁺) entram na solução, deixando dois elétrons no eletrodo negativo. O acúmulo de elétrons gera uma carga negativa no zinco. Os íons (Zn²⁺) em solução repelem os íons de amônio (NH₄⁺) e os íons de hidrogênio positivos (H⁺), que se acumulam na superfície do eletrodo de carbono na forma de bolhas de gás. A perda de elétrons deixa o eletrodo de carbono com uma carga positiva. Os íons (Zn²⁺) combinam-se quimicamente com os íons (Cl^-) para formar cloreto de zinco (ZnCl₂), uma substância branca. É possível observar essa substância em pilhas antigas. O invólucro de zinco é consumido gradualmente para formar o ZnCl₂ durante o funcionamento da pilha.

Os elétrons agrupados no eletrodo de zinco repelem-se mutuamente. Essa repulsão, juntamente com a atração da carga positiva no eletrodo de carbono, resulta na formação da fem (força eletromotriz) da pilha. Essa fem provoca um fluxo de corrente de elétrons entre os eletrodos quando há um caminho externo.

No processo, bolhas de hidrogênio acumulam-se na superfície do carbono, o que afeta o bom funcionamento da pilha, pois impede e bloqueia a ação química. Esse fenômeno é chamado de polarização; para evitá-lo, adiciona-se dióxido de manganês ao eletrólito, o qual se combina com o hidrogênio para formar água.

Bateria Primária de Óxido de Mercúrio e Zinco

Outro tipo de bateria primária é a de óxido de mercúrio e zinco, inventada em meados do século XX. A bateria consiste em um eletrodo negativo de pó de zinco amalgamado ou folhas de metal ondulado, enquanto o eletrodo positivo é uma mistura de óxido de mercúrio e grafite. Ambos os eletrodos estão contidos em um recipiente de aço. O eletrólito é uma solução de hidróxido de potássio e óxido de zinco, utilizando-se um material celulósico como separador embebido no eletrólito.

A tensão normal da bateria (em circuito aberto) é de 1,34 volts, mas sob fluxo normal de corrente a tensão cai para valores entre 1,31 e 1,24 volts. Comparada com a maioria dos outros tipos de pilhas e baterias, a bateria de óxido de mercúrio e zinco apresenta vantagens, como uma tensão praticamente constante ao longo de sua vida útil (ciclo de descarga) e uma capacidade de fornecer elétrons no eletrodo negativo maior do que a da pilha de zinco-carbono. Ela permite uma corrente relativamente mais alta, que pode ser mantida por um tempo consideravelmente longo, mantendo essas vantagens mesmo em altas temperaturas. Essas baterias são relativamente caras e sua aplicação ocorre principalmente onde seu tamanho reduzido (12 a 25 mm de diâmetro e alguns milímetros de altura) é uma vantagem.

Uma vantagem interessante dessa bateria é a sua capacidade de manter uma tensão constante durante toda a sua vida útil. Em muitas aplicações, a voltagem dessa bateria é utilizada como referência para o ajuste de instrumentos de medição.

Bateria Secundária (Chumbo-Ácido)

As baterias ou acumuladores de armazenamento são constituídos por conjuntos de células secundárias. Uma célula secundária pode ser descarregada e, em seguida, retornar ao estado de carga total se for percorrida por uma corrente contínua na direção oposta à da descarga. Esse processo pode ser repetido centenas de vezes antes que a bateria se esgote.

A bateria de um carro, por exemplo, consiste em um conjunto de acumuladores de chumbo-ácido. Cada célula contém dois conjuntos de placas de chumbo (Pb) em forma de grades para aumentar a área de contato. As cavidades da grade negativa são preenchidas com chumbo esponjoso, enquanto as da grade positiva contêm dióxido de chumbo (PbO₂). O chumbo esponjoso é o eletrodo negativo e o dióxido de chumbo é o positivo. O eletrólito é o ácido sulfúrico (H₂SO₄) misturado com água destilada (H₂O). O conjunto de células secundárias, formado por uma série de placas alternadas de chumbo e dióxido de chumbo imersas na solução de ácido sulfúrico, constitui a bateria. O chumbo e o dióxido de chumbo reagem com o ácido sulfúrico para formar sulfato de chumbo e água. Íons de hidrogênio positivos e íons de sulfato negativos são liberados. O sulfato de chumbo é praticamente insolúvel no eletrólito e forma um depósito branco sobre as placas. Quando ambos os conjuntos de placas ficam cobertos por esse depósito, a bateria descarrega, pois deixa de existir diferença de potencial entre elas. Quando uma fonte externa de corrente contínua (CC) é conectada para recarregá-la, os íons de hidrogênio migram para as placas negativas e os íons de sulfato para as positivas, fazendo com que o chumbo esponjoso se regenere nas placas negativas e o dióxido de chumbo nas positivas.

A tensão nominal de cada célula de chumbo-ácido é de aproximadamente 2 volts (ou 2,2 V em plena carga), e uma bateria de carro geralmente consiste em seis células ligadas em série para fornecer 12 volts nos terminais. A bateria de chumbo-ácido é capaz de fornecer correntes extremamente elevadas, de várias centenas de amperes.

Carga e Descarga no Acumulador de Chumbo-Ácido

Analisemos os fenômenos químicos em uma bateria de chumbo-ácido. Quando totalmente carregada, as placas negativas (eletrodos negativos) são de chumbo esponjoso e as placas positivas (eletrodos positivos) são de dióxido de chumbo. O eletrólito é composto por ácido sulfúrico e água. Se conectarmos um condutor entre os polos positivo e negativo, a corrente flui e a bateria começa a se descarregar. Durante a descarga, o teor de ácido do eletrólito diminui e o sulfato de chumbo (PbSO₄) deposita-se em ambas as placas (positivas e negativas). Consequentemente, a proporção de água aumenta. Esse processo continua até que ambos os eletrodos contenham o máximo de sulfato de chumbo e a densidade do eletrólito fique muito baixa. Nesse ponto, a fem entre eles torna-se mínima.

A bateria pode ser recarregada invertendo-se o sentido da corrente de descarga. Isso é feito conectando o terminal positivo da bateria ao terminal positivo do carregador. Durante o processo de carga, o chumbo metálico regenera-se na placa negativa e o dióxido de chumbo na positiva. O sulfato retorna ao eletrólito, aumentando a sua densidade. Durante a carga, ocorre a liberação de hidrogênio e oxigênio (gases), sendo necessário adicionar água destilada ao eletrólito para substituir a que foi perdida por eletrólise. É por isso que, historicamente, adicionava-se água às baterias de carros algumas vezes por ano (embora as baterias modernas seladas dispensem essa manutenção).

Bateria Alcalina

A pilha alcalina pode ser primária ou secundária. É assim chamada por possuir um eletrólito alcalino de hidróxido de potássio (KOH), com eletrodo negativo de zinco (Zn) e eletrodo positivo de dióxido de manganês (MnO₂). Normalmente, gera uma tensão de 1,5 volts.

Bateria de Níquel-Cádmio (Ni-Cd)

A bateria de níquel-cádmio (Ni-Cd) é uma bateria secundária seca cujo eletrólito é o hidróxido de potássio (KOH). O eletrodo positivo das baterias de níquel-cádmio é o hidróxido de níquel, enquanto o negativo é o cádmio.

A tensão de trabalho em condições normais é de aproximadamente 1,25 volts, e esse tipo de bateria apresenta um efeito memória acentuado.

As baterias de níquel-cádmio são fabricadas em uma ampla variedade de tamanhos e formas, sendo as mais populares as cilíndricas, retangulares seladas e do tipo "botão". No tipo de placa sinterizada, as placas são organizadas em grupos, interligadas por tiras soldadas e separadas por espaçadores. Os grupos de placas positivas e negativas são intercalados e alojados em um recipiente plástico.

Durante a carga e descarga de uma bateria de níquel-cádmio, praticamente não ocorre variação na densidade do eletrólito. Ele atua apenas como um meio de transferência de íons hidróxido de um eletrodo para o outro, dependendo do estado de carga da bateria.

A bateria de níquel-cádmio é uma das poucas baterias secas com reação química verdadeiramente reversível, podendo ser recarregada muitas vezes. Ela é altamente resistente e oferece um serviço confiável mesmo sob condições extremas de vibração, choque mecânico e temperatura.

Bateria de Edison (Níquel-Ferro)

A bateria de Edison é uma célula secundária alcalina de níquel-ferro que utiliza hidróxido de potássio (KOH) como eletrólito. É muito mais leve e durável do que as células de chumbo-ácido, operando normalmente a 1,2 ou 1,4 volts. Ela possui uma placa positiva de hidróxido de níquel (Ni₂O₂) e uma placa negativa de ferro (Fe).

Bateria de Níquel-Metal-Hidreto (Ni-MH)

Utiliza um eletrodo positivo (ânodo) de hidróxido de níquel e um eletrodo negativo (cátodo) composto por uma liga metálica capaz de absorver hidrogênio. Essas baterias são menos afetadas pelo chamado efeito memória. O frio extremo reduz drasticamente a potência útil que podem fornecer. Cada célula fornece cerca de 1,2 volts e apresenta baixo efeito memória.

Bateria de Íons de Lítio (Li-ion)

A bateria de íons de lítio (Li-ion) utiliza um ânodo de grafite e um cátodo de óxido de cobalto, fosfato de ferro-lítio (LiFePO₄) ou óxido de manganês. Elas não suportam descargas completas nem cargas excessivas. Apresentam efeito memória praticamente nulo, de modo que podem ser recarregadas sem estarem totalmente descarregadas e sem perda de vida útil. No entanto, não toleram bem variações extremas de temperatura. Cada célula fornece tipicamente entre 3,2 e 3,7 volts.

Relação de Tensão de Saída nas Baterias

Um fato interessante sobre a força eletromotriz (fem) gerada pelas baterias é que a tensão de saída depende exclusivamente dos materiais utilizados em sua composição, e não de suas dimensões físicas.

Por exemplo, todas as pilhas de zinco-carbono novas com eletrólito de cloreto de amônio fornecem a mesma tensão de aproximadamente 1,5 a 1,6 volts. A diferença entre os tamanhos reside na intensidade da corrente elétrica que podem fornecer. O mesmo ocorre com as baterias de chumbo-ácido: uma unidade pequena possui placas menores que fornecem os mesmos 2 volts por célula que uma bateria grande com placas maiores.

Relação de Corrente de Saída nas Baterias

Vimos que, se um condutor conecta os terminais positivo e negativo de uma bateria, a corrente elétrica flui por ele. O fato de os elétrons deixarem a célula e percorrerem o condutor é a base para considerar a pilha ou bateria como uma fonte de energia. Enquanto a reação química continuar, haverá fornecimento de elétrons. A capacidade de uma bateria de fornecer elétrons sob determinada taxa é chamada de capacidade de corrente. O número máximo de elétrons fornecidos depende da quantidade de material ativo nos eletrodos e no eletrólito. Isso explica por que uma bateria grande fornece mais energia e dura mais do que uma pequena.

A capacidade de uma bateria (prática muito comum em acumuladores) é expressa em ampères-hora (Ah). Assim, uma bateria de 20 Ah é capaz de fornecer uma corrente de 20 A durante uma hora, após o que sua carga se esgota.

Se a corrente de descarga for menor do que a sua capacidade nominal, a bateria poderá fornecer essa corrente por mais tempo. Por exemplo, uma bateria de 20 Ah pode fornecer 1 A por 20 horas. Da mesma forma, a corrente fornecida poderá ser proporcionalmente maior por um tempo menor (por exemplo, 100 A por 0,2 h, ou seja, 12 minutos). O produto da corrente (em ampères) pelo tempo (em horas) idealmente não excede a capacidade em ampères-hora especificada para a bateria.

Em suma, a unidade ampère-hora serve de base para comparar baterias e é usada como medida de sua autonomia antes de uma nova recarga.

Tensão entre os Terminais de uma Bateria

Uma bateria é um gerador químico de tensão contínua, e todos os seus componentes internos oferecem certa resistência ao fluxo de corrente. Em uma célula química, a resistência do eletrólito entre os eletrodos constitui a maior parte da resistência interna da célula.

Quando a bateria não está fornecendo corrente (ou seja, com seus terminais em circuito aberto), a diferença de potencial entre eles é máxima. Isso é chamado de tensão de circuito aberto, tensão em vazio ou tensão sem carga. No entanto, se fechamos o circuito, a corrente (I) fornecida também circula internamente pela bateria, precisando vencer a sua resistência interna (R_i). Assim, a tensão útil (V) nos terminais é reduzida pela queda de potencial que ocorre internamente. Portanto, a tensão nos terminais de uma bateria em funcionamento é igual à sua fem (E) em circuito aberto menos a queda de tensão interna (I × R_i).

Conexão de Baterias em Série

Sob certas circunstâncias, a tensão produzida por uma única célula é suficiente, mas frequentemente necessita-se de uma tensão maior. Isso pode ser obtido conectando-se várias células (primárias ou secundárias) em série, até atingir a tensão desejada.

A fem (E) de uma associação em série é a soma das fems individuais de cada célula, e a resistência interna total é a soma das resistências internas (R_i) de cada uma.

A tensão total de um conjunto de células ligadas em série é a soma das tensões de cada célula individual.

Quando as células são ligadas em série, o terminal positivo de uma é conectado ao terminal negativo da seguinte. Ao fazer isso, somam-se os potenciais individuais. Não há necessidade de que as células tenham a mesma tensão: podem ser conectadas em série células de qualquer tensão, contanto que possuam a mesma capacidade de corrente (Ah) para evitar danos.

Conexão de Baterias em Paralelo

Também é possível associar células em paralelo, mas isso só deve ser feito com unidades que possuam a mesma tensão de saída. A finalidade da conexão em paralelo é aumentar a capacidade de corrente, pois equivale a aumentar o tamanho físico dos eletrodos e a quantidade de eletrólito, disponibilizando mais corrente para o circuito.

A associação em paralelo não altera a tensão total; a tensão final do conjunto é igual à de uma única célula.

Se células de tensões desiguais forem conectadas em paralelo, correntes circularão internamente entre elas devido à diferença de potencial, provocando desperdício de energia e possíveis danos.