A QUÍMICA DAS BATERIAS

As baterias acumulam eletricidade para uso futuro. Atualmente, os tipos de baterias mais utilizadas são as de íons de lítio para eletrônicos em gerais, e a de chumbo/óxido de chumbo que é utilizada no setor automobilístico. Esse texto irá falar um pouco sobre o funcionamento desses dois modelos de bateria.

As baterias de chumbo/óxido de chumbo foram descoberta em 1859, pelo físico francês Raymond Gaston Planté que construiu o primeiro sistema recarregável. Esse modelo é muito empregado em indústrias, sendo a automobilística a mais conhecida.

As baterias automotivas consistem de seis vasos independentes, a qual contém um conjunto de eletrodos na forma de placas. Esse conjunto pode ser formado, por exemplo, de 6 ânodos e 5 cátodos arranjados de forma alternada, começando e terminando com um ânodo, cada conjunto desses fornece um potencial de cerca de 2 volts. Como os vasos estão conectados em série, o potencial total da bateria é de, aproximadamente, 12 volts.

Esquma de uma bateria automotiva. FONTE: Aprenda como fazer chupeta de carro. Disponível em: < https://www.bidu.com.br/seguro-auto/aprenda-como-fazer-chupeta-de-carro/>

Durante a descarga no cátodo, o dióxido de chumbo reage com ácido sulfúrico, produzindo sulfato de chumbo e água. Como mostra a equação abaixo:

No ânodo, o chumbo reage com íons sulfato, formando sulfato de chumbo. Seguindo a equação: 

Equação global:

           

Durante o carregamento, a corrente flui para ela restaurando a diferença química entre as placas. Isto acontece quando se circula sem acessórios e o alternador conduz corrente para a bateria.

Como a bateria se descarrega, as placas de chumbo tornam-se quimicamente iguais, o ácido fica mais fraco e a tensão baixa. Eventualmente, a bateria descarrega-se de tal modo que deixa de poder fornecer eletricidade de tensão útil. Uma bateria descarregada pode ser recarregada conduzindo-se-lhe corrente elétrica. O seu carregamento completo restaura a diferença química entre as placas e deixa-a pronta para fornecer a potência plena. Este processo de carga e descarga da bateria de chumbo-ácido significa que a energia pode ser descarregada e restaurada e isto é denominado capacidade cíclica da bateria.

Porém, apesar dessa capacidade, as baterias têm uma vida útil (cerca de 2 a 5 anos) devido a reação química que acontece constantemente, pois a medida que o ácido sulfúrico é consumido, a água vai sendo formada, e durante a carga da bateria, o sulfato de chumbo é reconvertido a chumbo no ânodo e a dióxido de chumbo no cátodo.

Um dos grandes problemas de se utilizar esse tipo de bateria é a poluição ambiental, pois o chumbo é um metal pesado e tóxico. O processo de recuperação do chumbo é feito por um processo chamado pirometalúrgico que contamina a atmosfera com óxidos de enxofre (SOx) e com chumbo particulado.

As baterias de íons de lítio são as mais empregadas, atualmente, no mercado de eletrônicos. Ela recebe esse nome devido a utilização de apenas íons de lítio que estão presentes no eletrólito em forma de sais de lítio dissolvidos em solventes não aquosos, é utilizado íons de lítio, pois o metal de lítio apresenta uma instabilidade inerente do material, especialmente durante o carregamento, então pesquisas levaram a utilização de íons de lítio.

Esquema ilustrativo dos processos eletroquímicos que ocorrem nas baterias de íons lítio. FONTE: Pilhas e Baterias: Funcionamento e Impacto Ambiental.

Os materiais de eletrodos são formados, geralmente, por compostos de estrutura aberta (denominados compostos de intercalação), que permitem a entrada e saída de íons lítio. No ânodo, o grafite é o material mais usado devido a sua estrutura lamelar, e a capacidade de intercalar reversivelmente os íons lítio entre suas camadas de carbono sem alterar significativamente sua estrutura. O cátodo contém, geralmente, um óxido de estrutura lamelar (LiCoO2, LiNiO2 etc.) ou espinel (LiMnO2). Dessa forma, durante a descarga da bateria a reação que ocorre no ânodo é a oxidação do carbono e liberando assim os íons lítio para manter a eletro neutralidade do material: durante o processo de descarga, os íons lítio migram desde o interior do material que compõe o ânodo até dentro do material do cátodo e os elétrons movem-se através do circuito externo.

Durante a descarga os íons de lítio se movem do ânodo para o cátodo passando pelo eletrólito, fazendo com que ocorra a descarga de elétrons do lado do ânodo e alimentando assim a carga.

Durante a carga o processo a passagem de íons é invertido e os íons de lítio passam de volta do cátodo para o ânodo.

O lítio é o mais leve de todos os metais usados em baterias e tem o maior potencial eletroquímico e fornece a maior densidade de energia por peso. Outras vantagens desse tipo de bateria é a sua baixa manutenção, não possui memória e nenhum ciclo programado é exigido para prolongar vida da bateria, e devido a sua alta tensão (acima de 3 volts) permite assim a fabricação de conjuntos de baterias que consistem em apenas uma célula, simplificando assim o projeto de equipamentos. Suas grandes desvantagens são a necessidade de um circuito de proteção, para manter a operação segura e tem uma fragilidade.

O envelhecimento das baterias é uma preocupação e isso também ocorre com as baterias de íon lítio, alguma deterioração da capacidade já é perceptível após um ano, mesmo se a bateria não estiver em uso, e acima de dois ou talvez três anos, a bateria frequentemente apresenta falhas. Para desacelerar esse processo é preciso armazenar a bateria em um lugar fresco e a bateria deve ser parcialmente carregada quando armazenada, porém o armazenamento prolongado não é recomendado.

REFERÊNCIAS:

A bateria de Li-íon.

Aprenda como fazer chupeta de carro. 

Como funciona uma bateria. 

Pilhas e Baterias: Funcionamento e Impacto Ambiental.