Bateria

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Antecedentes

O famoso experimento de Benjamin Franklin para atrair eletricidade empinando uma pipa durante uma tempestade com raios foi apenas um dos muitos experimentos do final do século XVIII e início do século XIX realizados para aprender sobre eletricidade. A primeira bateria foi construída em 1800 pelo italiano Alessandro Volta. A chamada pilha voltaica consistia em discos alternados de prata e zinco separados por couro ou papelão embebido em água salgada, soda cáustica ou alguma solução alcalina. Tiras de metal em cada extremidade da pilha eram conectadas a pequenos copos cheios de mercúrio. Quando Volta tocou as duas xícaras de mercúrio com os dedos, recebeu um choque elétrico; quanto mais discos ele montava, maior o choque que recebia.

A descoberta de Volta levou a novas experiências. Em 1813, Sir Humphrey Davy construiu uma pilha com 2.000 pares de discos no porão da Royal Institution of London. Entre outras aplicações, Davy usou a eletricidade que produziu para a eletrólise - catalisando reações químicas ao passar uma corrente através de substâncias (Davy separou o sódio e o potássio dos compostos). Apenas alguns anos depois, Michael Faraday descobriu o princípio da indução eletromagnética, usando um ímã para induzir eletricidade em um fio enrolado. Essa técnica está no cerne dos dínamos usados ​​para produzir eletricidade em usinas de energia hoje. (Enquanto um dínamo produz corrente alternada (AC) em que o fluxo de eletricidade muda de direção regularmente, as baterias produzem corrente contínua (DC) que flui em apenas uma direção.) Uma célula de chumbo-ácido capaz de produzir uma grande quantidade de corrente, o precursor do automóvel de hoje bateria, foi idealizada em 1859 pelo francês Gaston Planté.

Nos Estados Unidos, Thomas Edison fazia experiências com eletricidade de baterias e dínamos para alimentar a lâmpada, que começou a se espalhar nos Estados Unidos no início da década de 1880. Durante a década de 1860, Georges Leclanché inventou a célula úmida, que, embora pesada por causa de seus componentes líquidos, podia ser vendida e usada comercialmente. Nas décadas de 1870 e 1880, a célula de Leclanché estava sendo produzida com materiais secos e era usada para uma série de tarefas, incluindo fornecer energia para o telefone de Alexander Graham Bell e para a lanterna recém-inventada. As baterias foram posteriormente chamadas para fornecer energia para muitas outras invenções, como o rádio, que se tornou extremamente popular nos anos após a Primeira Guerra Mundial. Hoje, mais de 20 bilhões de células de energia são vendidas em todo o mundo a cada ano, e cada americano usa aproximadamente 27 baterias por ano.

Design

Todas as baterias utilizam procedimentos semelhantes para gerar eletricidade; no entanto, variações nos materiais e na construção produziram diferentes tipos de baterias. A rigor, o que comumente é denominado bateria é, na verdade, um grupo de células vinculadas. A seguir está uma descrição simplificada de como funciona uma bateria.

Duas partes importantes de qualquer célula são o ânodo e o cátodo. O cátodo é um metal que se combina, naturalmente ou em laboratório, com o oxigênio - a combinação é chamada de óxido. O óxido de ferro (ferrugem), embora muito frágil para usar em uma bateria, é talvez o óxido mais conhecido. Alguns outros óxidos são na verdade fortes o suficiente para serem trabalhados (cortados, dobrados, modelados, moldados e assim por diante) e usados ​​em uma célula. O ânodo é um metal que oxidaria se fosse permitido e, em igualdade de circunstâncias, tem mais probabilidade de oxidar do que o metal que faz parte do cátodo.

Uma célula produz eletricidade quando uma extremidade de um cátodo e uma extremidade de um ânodo são colocadas em uma terceira substância que pode conduzir eletricidade, enquanto suas outras extremidades são conectadas. O ânodo atrai átomos de oxigênio em sua direção, criando assim um fluxo elétrico. Se houver um interruptor no circuito (semelhante a qualquer interruptor de parede ou lâmpada), o circuito não está completo e a eletricidade não pode fluir a menos que o interruptor esteja na posição fechada. Se, além da chave, houver algo mais no circuito, como uma lâmpada, a lâmpada acenderá com a fricção dos elétrons que se movem através dela.

A terceira substância na qual o ânodo e o cátodo são colocados é chamada de eletrólito. Em muitos casos, esse material é uma combinação química que tem a propriedade de ser alcalina. Assim, uma bateria alcalina é aquela que faz uso de um eletrólito alcalino. Uma célula não produzirá eletricidade por si mesma, a menos que seja colocada em um circuito que foi completado por um interruptor simples ou por alguma outra conexão de comutação no aparelho usando a bateria.

Projetar uma célula pode levar a muitas variações de tipo e estrutura. Nem todos os eletrólitos, por exemplo, são alcalinos. Além disso, o recipiente para o eletrólito pode atuar tanto como um recipiente quanto como cátodo ou ânodo. Algumas células extraem oxigênio não de um cátodo, mas diretamente do ar. Mudanças nas composições do ânodo e do cátodo fornecerão mais ou menos eletricidade. O ajuste preciso de todos os materiais usados ​​em uma célula pode afetar a quantidade de eletricidade que pode ser produzida, a taxa de produção, a voltagem na qual a eletricidade é fornecida durante a vida útil da célula e a capacidade da célula de funcionar em diferentes temperaturas .

Todas essas possibilidades existem, de fato, e suas várias aplicações produziram os muitos tipos diferentes de baterias disponíveis hoje (lítio, mercúrio e assim por diante). Durante anos, no entanto, a célula mais comum foi a bateria alcalina de 1,5 volts.

Baterias diferentes funcionam melhor em circunstâncias diferentes. A célula alcalina de 1,5 volt é ideal para equipamentos fotográficos, computadores portáteis e calculadoras, brinquedos, gravadores e outros usos de "alto consumo"; também é bom em baixas temperaturas. Essa célula tem uma característica de descarga inclinada - ela perde energia gradualmente, em vez de parar de produzir eletricidade repentinamente - e perderá talvez 4% de sua energia por ano se não for usada em uma prateleira.

Outros tipos de baterias incluem uma bateria de lítio / dióxido de manganês, que tem uma característica de descarga plana - fornece aproximadamente a mesma quantidade de energia no início de sua vida e no final - e pode ser usada onde houver necessidade de pequenas, baterias de alta potência (alarmes de fumaça, câmeras, backups de memória em computadores e assim por diante). Aparelhos auditivos, pagers e alguns outros tipos de equipamentos médicos freqüentemente usam baterias do tipo botão de zinco para ar, que fornecem alta densidade de energia em descarga contínua. Uma bateria de mercúrio é freqüentemente usada em muitas das mesmas aplicações da bateria de zinco-ar, porque também fornece uma tensão de saída estável.

Matérias-primas

Esta seção, bem como a seção seguinte, enfocará as baterias alcalinas. Em uma bateria alcalina, o cilindro que contém as células é feito de aço niquelado. É revestido com um separador que separa o cátodo do ânodo e é feito de papel em camadas ou de um material sintético poroso. O canister é selado em uma extremidade com um asfalto ou selante epóxi que fica por baixo de uma placa de aço, e na outra com um prego de latão enfiado no cilindro. Este prego é soldado a uma tampa de metal e passado por uma vedação externa de plástico. Dentro do cilindro, o cátodo consiste em uma mistura de dióxido de manganês, grafite e uma solução de hidróxido de potássio; o ânodo compreende pó de zinco e um eletrólito de hidróxido de potássio.

O processo de fabricação

O cátodo

• 1 Em uma bateria alcalina, o cátodo realmente dobra como parte do recipiente. Enormes cargas dos ingredientes constituintes - dióxido de manganês, negro de fumo (grafite) e um eletrólito (hidróxido de potássio em solução) - são Misturar os ingredientes constituintes é a primeira etapa na fabricação da bateria. Após a granulação, a mistura é então prensada ou compactada em pré-formas - cilindros ocos. O princípio envolvido na compactação é simples:um punção de aço desce em uma cavidade e compacta a mistura. À medida que se retrai, um punção vindo de baixo sobe para ejetar a pré-forma compactada. entregue por trem e misturado em lotes muito grandes no local de produção. A mistura é então granulada e prensada ou compactada em cilindros ocos chamados pré-formas. Dependendo do tamanho da bateria que está sendo feita, vários pré-formas podem ser empilhados um sobre o outro em uma bateria. Alternativamente, a série de pré-formas pode ser substituída por um anel extrudado do mesmo material.
• 2 As pré-formas são inseridas em seguida em uma lata de aço niquelado; a combinação das pré-formas e do aço pode constituir o cátodo da bateria. Em uma grande operação, as latas são feitas na fábrica de baterias usando técnicas de corte e conformação padrão. Um recorte é feito próximo ao topo da lata e um asfalto ou selante epóxi é colocado acima do recorte para proteger contra vazamentos.

O separador

• 3 Um separador de papel embebido na solução eletrolítica é então inserido dentro da lata contra as pré-formas; o separador é feito de vários pedaços de papel colocados em cruzamentos entre si (como madeira compensada). Olhando para uma lata aberta, veríamos o que parecia ser um copo de papel inserido na lata. O separador evita que o material do cátodo entre em contato com o material do ânodo. Como alternativa, um fabricante pode usar uma fibra sintética porosa para o mesmo fim.

O ânodo

• 4 O ânodo vai para a lata da bateria em seguida. É um gel composto principalmente de pó de zinco, junto com outros materiais, incluindo um eletrólito de hidróxido de potássio. Este gel tem a consistência de uma pasta muito espessa. Em vez de uma solução, é quimicamente uma suspensão, na qual as partículas não se acomodam (embora um filtro apropriado possa separá-las). O gel não enche a lata até o topo para permitir espaço para as reações químicas que ocorrerão quando a bateria for colocada em uso.

Os selos

• 5 Embora a bateria seja capaz de produzir eletricidade neste ponto, uma célula aberta não é prática e esgotaria seu potencial rapidamente. A bateria deve ser selada com três componentes conectados. O primeiro, um “prego” ou espigão de latão, é inserido no meio da lata, através do material gel, e serve como “coletor de corrente”. A segunda é uma vedação de plástico e a terceira uma tampa de metal. O prego, que se estende por cerca de dois terços O recipiente de uma bateria alcalina típica, consistindo de uma pré-forma inserida em uma lata de aço, também funciona como cátodo. O ânodo do meio é um gel composto principalmente de pó de zinco. O separador entre o ânodo e o cátodo é papel ou fibra sintética que foi embebido em uma solução eletrolítica.
  Na bateria acabada, um selo de plástico, um prego de aço e uma parte superior e inferior de metal foram adicionados. O prego é soldado ao fundo de metal e se estende por cerca de dois terços do caminho para dentro da lata, através do ânodo. do caminho para a lata, é soldada à tampa de metal e, em seguida, passada através do selo de plástico.
• 6 Esta vedação é significativamente mais fina em alguns lugares do que em outros, de modo que, se muito gás se acumular na lata, a vedação se romperá em vez de toda a bateria. Alguns designs de bateria usam um orifício preenchido com cera no plástico; o excesso de gás empurra a cera em vez de romper a bateria. O conjunto de vedação atende ao entalhe feito na lata no início do processo e é prensado no local.
• 7 A extremidade oposta da lata (a extremidade positiva da bateria) é então fechada com uma placa de aço que pode ser soldada no lugar ou colada com um cimento do tipo epóxi.

O rótulo

• 8 Antes de a bateria sair da fábrica, uma etiqueta é adicionada identificando o tipo de bateria, seu tamanho e outras informações. A etiqueta geralmente é um papel que é simplesmente colado na bateria. Um grande fabricante tem seu design de etiqueta impresso em plástico retrátil:um pedaço solto de plástico sensível ao calor é enrolado em volta da lata da bateria e depois exposto a uma rajada de calor que faz o plástico encolher para caber firmemente em torno da lata.

Controle de qualidade

Como a tecnologia da bateria não é especialmente nova ou exótica, o controle de qualidade e seus resultados são especialmente importantes como base para a competição de marcas. A capacidade de uma bateria de resistir à corrosão, de operar bem sob uma variedade de condições, de manter uma boa vida útil e de armazenamento, e outros fatores, são resultados diretos do controle de qualidade. As baterias e os ingredientes são inspecionados e testados em quase todas as fases do processo de produção, e os lotes concluídos são submetidos a testes rigorosos.

Questões ambientais

Embora a fabricação de baterias apresente alguns obstáculos ambientais, nenhum é intransponível. Zinco e manganês, os principais produtos químicos em baterias alcalinas, não apresentam dificuldades ambientais e ambos são considerados seguros pela Food and Drug Administration (FDA). O principal poluente potencial nas baterias é o mercúrio, que normalmente acompanha o zinco e que foi adicionado por muitos anos às baterias alcalinas para ajudar na condutividade e prevenir a corrosão. Em meados da década de 1980, as baterias alcalinas geralmente continham entre 5 e 7 por cento de mercúrio.

Quando ficou claro, há vários anos, que o mercúrio era um risco ambiental, os fabricantes começaram a buscar maneiras de produzir baterias eficientes sem ele. O principal método para fazer isso se concentra em um melhor controle de pureza dos ingredientes. As baterias alcalinas de hoje podem conter aproximadamente 0,025 por cento de mercúrio. Baterias sem mercúrio adicionado (é um elemento que ocorre naturalmente, por isso seria difícil garantir um produto sem traços de qualidade) estão disponíveis em alguns fabricantes e serão a regra em todo o setor, e não a exceção no final de 1993.

O Futuro

As baterias são atualmente o foco de intensa investigação por cientistas e engenheiros de todo o mundo. A razão é simples:várias inovações importantes dependem da criação de baterias melhores. Automóveis elétricos viáveis ​​e dispositivos eletrônicos portáteis que podem operar por longos períodos de tempo sem a necessidade de serem recarregados devem esperar até que baterias mais leves e mais potentes sejam desenvolvidas. As baterias de chumbo-ácido típicas usadas atualmente em automóveis, por exemplo, são muito volumosas e não podem armazenar eletricidade suficiente para ser usada em automóveis elétricos. As baterias de lítio, embora leves e potentes, são propensas a vazar e pegar fogo.

No início de 1993, cientistas da Arizona State University anunciaram que haviam projetado uma nova classe de eletrólitos dissolvendo o óxido de polipropileno e o óxido de polietileno em uma solução de sal de lítio. Os novos eletrólitos parecem ser altamente condutores e mais estáveis ​​do que os eletrólitos de lítio típicos, e os pesquisadores agora estão tentando construir protótipos de baterias que usem as substâncias promissoras.

Nesse ínterim, vários fabricantes estão desenvolvendo baterias de níquel-hidreto metálico maiores e mais potentes para uso em computadores portáteis. Espera-se que essas novas baterias apareçam no final de 1994.