pilhas e baterias

Escola Naval Eletrotécnica Naval - ETR

Baterias• Noções fundamentais:• Definição;• Componentes de um sistema de conversão

eletroquímica;• Características de pilhas e baterias.• Baterias chumbo-ácidas:• Princípio de funcionamento;• Aspectos de funcionamento;• Sulfatação e • Estratificação do eletrólito.

ETR – 4.15.00

• Aula: 4.15


ETR – 4.15.01

• Noções fundamentais:

• Quando dois condutores são imersos em uma solução eletrolítica surgirá uma ddp entre eles, este processo é conhecido como pilha galvânica.

• Se estes condutores forem percorridos por corrente elétrica, a reconfiguração eletrônica do sistema proporcionará a geração de uma ddp, este é o princípio da pilha eletrolítica, que funcionará como um acumulador de energia elétrica.

• O termo pilha define os dispositivos que geram ou armazenam energia elétrica empregando os princípios da eletroquímica.

Aula: 4.15 – Baterias


ETR – 4.15.02


• Componentes de um sistema de conversão eletroquímica:• Célula (cell): ou célula galvânica, é o recipiente onde ocorre a reação de

conversão eletroquímica.• Íon: é o átomo de um elemento que, ao receber ou ceder elétrons na última

camada, adquire configuração eletrônica estável e torna-se um portador de carga elétrica. Os íons de carga positiva são chamados de cátions e os de cargas negativas são chamados ânions.

• Eletrodos: são os condutores empregados (cobre e zinco, por exemplo) O eletrodo que concentra ânions é chamado anodo e o que acumula cátions é chamado catodo.

• Eletrólito: é a solução ácida, básica ou salina contida no interior da célula, cuja função é possibilitar a circulação de corrente entre os eletrodos.

• Elemento: conjunto composto por célula, eletrodos e eletrólito.



ETR – 4.15.03

• Noções fundamentais:• Componentes de um sistema de conversão eletroquímica:• Elemento primário: elemento cujas reações são irreversíveis, após cumprir

sua finalidade é descartado (pilhas comuns, por exemplo).• Elemento secundário: é o elemento onde os componentes originais podem

ser restaurados fazendo-se passar uma corrente em sentido contrário ao da descarga; esta operação denomina-se “carregar” (fornecer carga – charge) o elemento. É o caso dos elementos de baterias de automóveis, de telefones celulares, de submarinos, etc. Tem o mesmo significado de acumulador.

• Pilha: é uma fonte de força eletromotriz de apenas um elemento (apesar do nome pressupor um “empilhamento” de vários elementos), normalmente primário. Se o elemento admitir recarga, deve-se denominá-lo pilha secundária ou pilha recarregável.

• Bateria: é uma fonte de força eletromotriz com vários elementos associados em série ou em paralelo, em um mesmo invólucro, podendo ser primários ou secundários.



ETR – 4.15.04


• Características de pilhas e baterias:• Resistência Interna (Ri)• A corrente elétrica produzida pela pilha deve percorrer

caminhos internos, pelos eletrodos e eletrólito, por condutores metálicos ou líquidos, até chegar ao circuito externo. A oposição à passagem de corrente no interior da pilha é denominada Resistência Interna;

• Quanto maior a corrente, maior será a influência da Ri sobre a tensão terminal.

• O produto IRi representa o valor da queda de tensão no interior da pilha, pelo qual podemos calcular a resistência interna.



ETR – 4.15.05

• Noções fundamentais:• Características de pilhas e baterias:• Resistência Interna (Ri)

• É muito difícil calcular o valor da Ri com base em fatores geométricos, pois a fórmula R = l/A tem aplicação apenas a condutores com dimensões e resistividade bem definidas. No caso de pilhas podemos afirmar apenas que:

• maiores dimensões fazem com que a Ri seja menor;

• durante a operação da pilha a Ri varia devido a modificações na natureza dos componentes (reagentes e produtos das reações), pois a resistividade é variável e depende do estado de carga da pilha;

• a passagem de corrente na resistência interna provoca dissipação por efeito Joule, mas o aquecimento provocado pela reação química pode ser atribuído à resistência interna.

• o aumento de temperatura faz variar o valor da resistência interna mas aumenta também a força eletromotriz da pilha.



ETR – 4.15.06

• Noções fundamentais:• Características de pilhas e baterias:• Polarização• Surge em decorrência da formação de íons de hidrogênio

sobre o catodo, criando uma fem (Ep) contrária à fem da pilha, quando o elemento está se descarregando.

• Quando houver elementos secundários sendo carregados, esta fem Ep será no mesmo sentido da fem, o que obrigará a uma maior tensão para carga dos elementos.

• A polarização, portanto, é a variação da fem devida à presença de íons de hidrogênio, que ocorre no interior da pilha quando por ela passa corrente; ela é sempre contrária ao sentido da corrente e seu valor depende da intensidade e do tempo de duração desta corrente.



ETR – 4.15.07

• Noções fundamentais:• Características de pilhas e baterias:

• Aumento da Resistência interna• O hidrogênio, além de provocar polarização no interior da pilha sob a

forma de íons (H+), aumenta a resistência interna da pilha ao se gaseificar (H2), contribuindo duplamente para reduzir a tensão terminal da pilha durante a descarga.

• Depleção do eletrólito• Consiste na dificuldade de remover os produtos das reações das áreas de

contato para que novos reagentes consigam dar prosseguimento à atividade química.

• Ocorre tanto na descarga quanto na carga de elementos secundários; em qualquer situação, de carga ou descarga, a fem da pilha é sempre reduzida.



ETR – 4.15.08

• Noções fundamentais:• Características de pilhas e baterias:• Autodescarga• Consiste na degeneração natural dos componentes da pilha, que reduz

gradualmente a sua capacidade de produção de energia elétrica e aumenta a Resistência Interna, mesmo quando a pilha não está debitando corrente. Quando armazenadas em temperatura ambiente, as pilhas (elementos primários) têm, normalmente, uma redução de 1 a 4% ao ano em sua capacidade, enquanto acumuladores (elementos secundários) chegam a 25% ao mês.

• Ação Local• É uma autodescarga que ocorre devido à ddp em um mesmo eletrodo,

provocada pela utilização de material de menor qualidade, por impurezas no eletrólito e/ou eletrodo, bem como por produtos da reação normal de descarga.

• É uma corrosão interna da pilha, que vai reduzir a sua capacidade de produzir corrente e abreviar a sua vida útil. É possível reduzir os seus efeitos mantendo a pilha armazenada em baixas temperaturas.



ETR – 4.15.09


• Características de pilhas e baterias:• Capacidade• Define-se capacidade como a quantidade de ampères-hora

(AH) que uma pilha pode fornecer durante um tempo de descarga, com certa razão de descarga antes que sua tensão terminal caia abaixo de determinado valor.

• A Capacidade é função das dimensões da pilha (quanto maior a quantidade de reagentes que pode ser colocada, maior a quantidade de cargas positivas e negativas que ela pode separar) e da área de contato entre os reagentes (o projeto interno da pilha, neste caso, também importa), mas depende também da qualidade do material empregado.



ETR – 4.15.10

• Baterias chumbo-ácidas:• Princípio de funcionamento:• O material ativo das baterias chumbo-ácidas é o peróxido de chumbo

(PbO2) na placa positiva e chumbo poroso (Pb) na placa negativa. As placas são imersas em uma solução de Ácido Sulfúrico (H2SO4).

• A ddp que surge entre os eletrodos do elemento apresenta um valor que pode variar de 2,05 a 2,15 volts, dependendo da temperatura e da concentração do eletrólito.

• Descarga - quando a bateria é conectada a um circuito externo, os elétrons em excesso na placa negativa se dirigem à placa positiva, o que tende a reduzir a ddp entre os eletrodos. O desequilíbrio é neutralizado por nova ionização, que mantém a fem e a circulação de corrente de descarga.

• Carga - o PbSO4 formado nas placas (+) e (-) é insolúvel e se deposita no interior das placas, na superfície de contato com o eletrólito, dentro dos poros das placas. Ao se fazer passar corrente em sentido contrário ao da descarga, a reação química inverte o sentido e os reagentes originais são recuperados.



ETR – 4.15.11

• Baterias chumbo-ácidas:• Aspectos do funcionamento:• Produção de Gases - tanto na descarga quanto na carga de baterias há

formação de íons (OH)- e H+ , que tendem a se dirigir respectivamente para o anodo e catodo. O íon H+ no catodo, além disso, é causa de polarização e de aumento da resistência interna. Além disso a concentração desses gases é extremamente perigosa, já que o acúmulo de H2 com O2 apresenta alto risco de explosão.

• Variação da densidade - na descarga, o H2 SO4 deixa a solução e vai para as placas; a densidade do eletrólito diminui. Durante a carga, o H2 SO4 retorna à solução; a densidade do eletrólito aumenta. Portanto pode-se medir o estado da carga de uma bateria Pb ácida pela densidade do eletrólito.

• Variação da Resistência interna - na descarga há formação de PbSO4 em ambas as placas. Por ser mau condutor, faz com que a Resistência Interna aumente à medida que a bateria descarrega.



ETR – 4.15.12

• Baterias chumbo-ácidas:• Sulfatação:• Em baterias Pb ácidas a formação de PbSO4 nas placas durante a

descarga é normal e sua reversibilidade durante a carga da bateria não é problemática. Se, entretanto, por algum motivo, este sulfato endurecer e dificultar a sua reversão, a bateria terá perdido parte da sua capacidade em armazenar energia.

• Define-se "sulfatação" como o endurecimento do sulfato de chumbo formado nas placas durante a descarga.

• As principais causas da sulfatação são a manutenção da bateria descarregada durante muito tempo e a ação local. Como conseqüências, além da já mencionada perda da capacidade, a Resistência Interna será aumentada, reduzindo a eficiência no desempenho da bateria.

• Estratificação do Eletrólito:• por ser mais denso que a água, parte do H2SO4 formado durante a carga

da bateria tende a permanecer no fundo da cuba e não reagir. Alguns projetos de bateria (Submarinos, por exemplo) preveem dispositivos para fazer circular o H2SO4 e distribuí-lo melhor no interior do elemento.



Baterias• Associação de elementos de uma bateria;

• Manutenção de baterias chumbo-ácidas:

• Tipos de carga: normal, de emergência, de flutuação e de equalização.

• Manutenção: aspectos gerais.

ETR – 4.16.00

• Aula: 4.16


ETR – 4.16.01

• Associação de elementos de bateria:

• A fem gerada nos elementos é de baixa magnitude, insuficiente para a alimentação da maior parte dos equipamentos, por isso são empregadas associações de elementos, nas configurações: série, paralelo e série-paralelo.

• Uma boa associação requer que todos os elementos sejam iguais e estejam nas mesmas condições.

• Associação em série: a fem resultante é o somatório total das fem da associação, assim também a resistência interna. A capacidade da associação, produto amperes-hora, não se altera.

• Associação em paralelo: a fem total é igual à de cada elemento, a resistência equivalente da associação diminui (igual ao valor da resistência individual dividido pelo número de elementos em paralelo) e a capacidade total fica multiplicada pelo número de elementos em paralelo.

• Associação série-paralelo: é um arranjo misto, com ramos de elementos em série ligados em paralelo.



ETR – 4.16.02

• Associação de elementos de bateria:Aula: 4.16 – Baterias

• Associação Série:

(total de m elementos)

• Eeq = m.E0

• Req = m.R0

• Ceq = C0

• Associação Paralelo:

(total de n elementos)

• Eeq = E0

• Req = R0/n

• Ceq = n.C0

• Assoc Série-paralelo:

(n ramos em paralelo com m elementos em série)

• Eeq = m.E0

• Req = m.R0/n

• Ceq = n.C0


ETR – 4.16.03


• Carga da bateria: é o processo de recuperação dos elementos do acumulador que sofrem as modificações decorrentes das reações eletroquímicas.

• O processo de carga consiste em ligar a bateria a uma fonte de tensão maior que a fem da bateria, de maneira a possibilitar a circulação de corrente, chamada de corrente de carga.


RbE

+-

V Rr

A

-

Circuito de Carga


ETR – 4.16.04

• Manutenção de baterias chumbo-ácidas:• Carga da bateria:

• Corrente de Carga – deve ter a intensidade adequada para a operação, pois se o seu valor for muito pequeno, o tempo necessário para a reação química se processar será muito grande fazendo com que a operação de carga seja demorada.

• Se o seu valor for muito grande, além do previsto para permitir a reação química, o excesso de corrente poderá provocar:

a) aquecimento: com possibilidade de empeno das placas e deterioração dos separadores, além de propiciar maior ação local;

b) Gaseificação: que nada mais é do que a eletrólise da água, indesejável nesta operação, pois além de significar perda de energia, provoca erosão nas placas e arrasto de eletrólito. A característica explosiva do H2 é outro aspecto que deve ser considerado.



ETR – 4.16.05

• Manutenção de baterias chumbo-ácidas:• Carga da bateria:

• Tipos de carga - antes de colocar uma bateria em condições de iniciar uma carga devemos observar:

a)a capacidade da bateria;b)o tempo disponível;c)o estado de carga;d)a situação operacional da bateria.

• A corrente com que se inicia uma determinada carga é denominada corrente inicial, cujo valor depende do tipo de carga que será aplicado.



ETR – 4.16.06

• Manutenção de baterias chumbo-ácidas:• Carga da bateria: tipos de carga – carga normal.

• Carga Normal: também chamada de carga lenta. A ser aplicada quando se dispõe de bastante tempo para carregar a bateria, é uma carga que se inicia com um valor de corrente baixo e independe do estado de carga da bateria.

• Os valores de corrente inicial, para cada bateria, podem ser obtidos:

a) pela consulta ao Manual do Fabricante, que é sempre a principal referência para as ações de manutenção; ou

b) pela consulta ao Manual do BuShips, para o caso de baterias apoiadas pelo sistema de Manutenção da US Navy; ou

c) utilizando a razão de descarga normal (8 hs para baterias comerciais, 10 hs na MB ou 20 hs).



ETR – 4.16.07

• Manutenção de baterias chumbo-ácidas:• Carga da bateria: tipos de carga – carga normal. • Após um certo tempo de carga (que vai depender do estado de carga

inicial), quando a bateria já tiver acumulado uma carga quase igual à sua capacidade (o PbSO4 das placas já estiver quase no fim), ela começa a provocar eletrólise da água. A corrente deve ser então reduzida para um valor igual à metade da corrente inicial, denominado corrente final (i), condizente com a disponibilidade da bateria de manter as reações de carga, sem produzir eletrólise.

• Exemplo: uma bateria naval de 400 AH deve receber carga lenta. Na falta das informações dos manuais:

a) Qual será a corrente inicial? I = 400 AH / 10 H = 40 Ab) Quando, e para qual valor, deve-se alterar a corrente de carga?Quando a bateria apresentar sinais de gaseificação (eletrólise da H2O), a

corrente deve ser reduzida para 20 A (corrente final).c) Quando deve ser encerrada a carga?Quando a bateria apresentar novamente sinais de gaseificação.



ETR – 4.16.08

• Manutenção de baterias chumbo-ácidas:• Carga da bateria: tipos de carga – carga de emergência.

• Carga de Emergência - (ou carga rápida), é uma carga com taxas elevadas, para quando se necessita da bateria com urgência. O valor da corrente inicial é muito alto e depende do estado de carga da bateria.

• A bateria pode receber tal carga durante algum tempo, antes de perder a capacidade de promover a reação química desejada, quando passará a gaseificar. A corrente é então reduzida à metade até que nova gaseificação ocorra, quando será novamente reduzida, e assim sucessivamente, até "completar" a carga.

• Uma forma eficaz de executar esta carga, sem prejudicar demasiado a bateria, foi desenvolvida e segue a seguinte regra empírica: "pode-se carregar uma bateria com uma corrente de um valor (em ampères) igual ao que falta para completar a capacidade da bateria (AH fora)".



ETR – 4.16.09

• Manutenção de baterias chumbo-ácidas:• Carga da bateria: tipos de carga – carga de emergência.

• Se tivermos pouco tempo para recarregar uma bateria, temos que calcular o que falta para completar a capacidade, ou seja, os AH “fora” da bateria. Se a bateria estiver apenas com parte da sua capacidade fora, poderemos calcular este valor (de AH fora) pela medição da densidade atual da bateria.

• Para este cálculo devemos ter também, além da capacidade, outros dados da bateria, como densidade carregada e densidade descarregada. Isso só é possível porque o estado de carga é proporcional à variação da densidade.

• Exemplo: Uma bateria de capacidade nominal de 200 AH teve a sua densidade medida igual a 1.190. Do seu manual extraímos que, quando carregada, sua densidade é 1.250 e que é considerada totalmente sem carga quando a densidade chega a 1.130.



ETR – 4.16.10

• Manutenção de baterias chumbo-ácidas:• Carga da bateria: tipos de carga – carga de emergência. a) Quantos AH estão fora da bateria?


AH foramedido

Capac. Nominal

Dens. Carreg

Dens. Medida

Dens. Descarreg

AH fora

• Observado a regra da proporcionalidade que se verifica entre a densidade e a capacidade em AH, teremos:

(Dens. Carreg.– Dens. Descarreg.)/Cap.Nominal = = (Dens.Carreg. – Dens. Medida) / AH fora, logo:

(1250 - 1130 ) / (200) = (1250 - 1190) / AH foraAH fora = 200 x 60 / 120 = 100 AH


ETR – 4.16.11

• Manutenção de baterias chumbo-ácidas:• Carga da bateria: tipos de carga – carga de emergência. b) Qual o valor da corrente inicial nesta carga de emergência?100 A, ainda de acordo com a mesma regra prática.

• O exemplo analisou uma situação ideal. Na prática, verifica-se que após meia hora de carga, aproximadamente, sob um determinado valor de corrente, ocorre gaseificação, que demonstra que a bateria não está mais suportando este regime de carga. Portanto, uma regra, também de ordem empírica, manda que a corrente seja reduzida à metade a cada intervalo de meia hora, até que se complete a carga.



ETR – 4.16.12

• Manutenção de baterias chumbo-ácidas:• Carga da bateria: tipos de carga.• Carga de flutuação: consiste no emprego de baterias operando

em paralelo com uma fonte, com a finalidade de complementar o suprimento de corrente em caso de deficiência ocasional da fonte.

• Se a tensão da fonte, por algum motivo, cair a um valor menor que a fem da bateria, esta passa a debitar corrente, auxiliando a fonte. Na realidade, a bateria está também auxiliando o regulador de tensão da fonte, mantendo a carga com uma tensão bem ajustada.

• Carga de equalização: Carga a nível muito baixo de corrente, com a finalidade de igualar a situação de carga de todos os elementos de uma bateria, muito comum em submarinos como parte da sua manutenção.



ETR – 4.16.13


a) As baterias Pb ácidas devem ser mantidas sempre carregadas (para evitar a sulfatação).

b) Manter sempre o nível do eletrólito (o nível mais baixo reduz a capacidade de descarga e aumenta a resistência interna). Completar só com água destilada (pois é a eletrólise da água a principal causa da redução do nível) de boa qualidade (para reduzir a ação local).

c) Nunca permitir corrente de carga superior à recomendada para os diversos tipos de carga, nem tornar freqüentes as cargas de emergência.

d) Não permitir pontos que possam originar chama ou fagulhas nas proximidades da bateria, principalmente durante as operações de carga.

e) Durante a carga verificar sempre a temperatura para mantê-la abaixo de 52 oC.


pilhas e baterias

Documents