Tipos, características e reações da bateria - Ciência - 2023

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No mercado você pode obter diferentes tipos de baterias com suas características próprio. As baterias, que nada mais são do que células voltaicas, oferecem aos consumidores a vantagem de levar energia elétrica consigo para qualquer lugar (desde que as condições não sejam drásticas).

As baterias geralmente podem ser adquiridas isoladas; mas, também são alcançados acoplados entre si em série ou paralelo, cujo conjunto passa a ser o que chamam de baterias. E é assim que às vezes os termos 'baterias' e 'baterias' são usados indiscriminadamente, mesmo quando não são os mesmos.

As pilhas podem vir em inúmeras cores, formas e tamanhos, assim como podem ser feitas de outros materiais. Além disso, e mais importante, sua estrutura interna, onde ocorrem as reações químicas que geram eletricidade, serve para diferenciá-los uns dos outros.

Por exemplo, a imagem acima mostra três pilhas alcalinas, uma das mais comuns. O termo alcalino se refere ao fato de que o meio onde ocorre a liberação e o fluxo de elétrons é básico; ou seja, tem um pH maior que 7 e os ânions OH predominam^– e outras cargas negativas.

Classificação da bateria

Antes de abordar alguns dos diferentes tipos de baterias que existem, é necessário saber que elas são globalmente classificadas como primárias ou secundárias.

- Baterias primárias

Pilhas primárias são aquelas que, uma vez consumidas, devem ser descartadas ou recicladas, uma vez que a reação química na qual se baseia a corrente elétrica é irreversível. Portanto, eles não podem ser recarregados.

Eles são usados principalmente em aplicações onde é impraticável recarregar energia elétrica; como em dispositivos militares, no meio do campo de batalha. Da mesma forma, são projetados para equipamentos que consomem pouca energia, para que durem mais; por exemplo, controles remotos ou consoles portáteis (como Gameboy, Tetris e Tamagotchi).

As pilhas alcalinas, para citar outro exemplo, também pertencem ao tipo primário. Eles geralmente têm formas cilíndricas, embora isso não implique que as baterias cilíndricas não possam ser secundárias ou recarregáveis.

- Baterias secundárias

Ao contrário das baterias primárias, as baterias secundárias podem ser recarregadas quando ficarem sem carga.

Isso se deve ao fato de que as reações químicas que ocorrem em seu interior são reversíveis e, portanto, após aplicar uma determinada voltagem a elas, faz com que as espécies do produto voltem a ser reativas, reiniciando a reação.

Algumas células secundárias (chamadas baterias) são geralmente pequenas, como as primárias; entretanto, eles se destinam a dispositivos que consomem mais energia e para os quais o uso de baterias primárias seria inviável econômica e energeticamente. Por exemplo, baterias de telefones celulares contêm células secundárias.

Além disso, as células secundárias são projetadas para grandes equipamentos ou circuitos; por exemplo, baterias de automóveis, que são compostas por várias baterias ou células voltaicas.

Geralmente são mais caros do que células e baterias primárias, mas para uso a longo prazo acabam sendo uma opção mais adequada e eficaz.

- Outros aspectos

As pilhas são classificadas como primárias ou secundárias; mas comercialmente ou popularmente, eles são geralmente classificados de acordo com sua forma (cilíndrica, retangular, tipo botão), o dispositivo pretendido (câmeras, veículos, calculadoras), seus nomes (AA, AAA, C, D, N, A23, etc. ) e seus códigos IEC e ANSI.

Da mesma forma, características como sua voltagem (1,2 a 12 volts), assim como sua vida útil e preços, são responsáveis por dar-lhes uma certa classificação aos olhos do consumidor.

Lista de tipos de bateria

- Baterias de carbono-zinco

As baterias de carbono-zinco (também conhecidas como células de Leclanché ou baterias salinas) são uma das mais primitivas e atualmente são consideradas quase em desuso em comparação com outras baterias; especialmente, em comparação com as baterias alcalinas, que embora sejam um pouco mais caras, têm maior vida útil e tensões.

Como o próprio nome sugere, seus eletrodos são compostos por uma lata de zinco e uma haste de grafite, correspondentes ao ânodo e ao cátodo, respectivamente.

No primeiro eletrodo, o ânodo, os elétrons são originados pela oxidação do zinco metálico. Esses elétrons, então, passam por um circuito externo que alimenta o aparelho com energia elétrica e, em seguida, vão parar no cátodo de grafite, onde o ciclo se completa com a redução do dióxido de manganês no qual está imerso.

Reações

As equações químicas para as reações que ocorrem nos eletrodos são:

Zn (s) → Zn²⁺(ac) + 2e^–(Ânodo)

2 MnO₂(s) + 2e^– + 2 NH₄Cl (ac) → Mn₂OU₃(s) + 2 NH₃(ac) + H₂O (l) + 2 Cl^– (ac) (cátodo)

Essas baterias são muito semelhantes às baterias alcalinas: ambas são cilíndricas (como a da imagem). No entanto, as baterias de carbono-zinco podem ser distinguidas pela leitura das características marcadas na parte externa em detalhes, ou se seu código IEC for precedido pela letra R. Sua tensão é 1,5 V.

- Pilhas alcalinas

As baterias alcalinas são muito semelhantes às do tipo carbono-zinco, com a diferença de que o meio onde os eletrodos estão localizados contém ânions OH.^–. Este meio consiste em fortes eletrólitos de hidróxido de potássio, KOH, que contribui com o OH^– que participam e "colaboram" na migração de elétrons.

Ele vem em diferentes tamanhos e tensões, embora o mais comum seja 1,5V. São talvez as baterias mais conhecidas do mercado (Duracell, por exemplo).

As reações que ocorrem em seus eletrodos são:

Zn (s) + 2OH⁻(aq) → ZnO (s) + H₂O (l) + 2e⁻ (Ânodo)

2MnO₂(s) + H₂O (l) + 2e⁻ → Mn₂OU₃(s) + 2OH⁻(aq) (cátodo)

À medida que a temperatura aumenta, mais rapidamente ocorrem as reações e mais rápido as baterias descarregam. Curiosamente, rumores populares se espalharam para colocá-los no congelador para aumentar sua vida útil; Porém, ao esfriar, seu conteúdo pode sofrer uma possível solidificação que pode acarretar em defeitos ou riscos subsequentes.

Mercúrio

As baterias de mercúrio são muito características devido ao seu formato peculiar de botões prateados (imagem acima). Quase todo mundo os reconheceria à primeira vista. São também alcalinos, mas seu cátodo incorpora, além de grafite e dióxido de manganês, óxido de mercúrio, HgO; que, após ser reduzido, se transforma em mercúrio metálico:

Zn (s) + 2OH^–(ac) → ZnO (s) + H₂O (l) + 2e^–

HgO (s) + H₂O + 2e^– → Hg (s) + 2OH^–

Observe como nessas reações celulares os ânions OH são consumidos e regenerados^–.

Por serem baterias pequenas, são destinadas a pequenos dispositivos, como relógios, calculadoras, controles de brinquedos, etc. Quem já usou algum desses objetos terá percebido que não é necessário trocar as pilhas por quase uma "eternidade"; o que equivaleria a 10 anos, aproximadamente.

Óxido de prata

O principal defeito das baterias de mercúrio é que, quando descartadas, representam um grave problema para o meio ambiente, devido às características tóxicas desse metal. Talvez seja por isso que faltam os códigos IEC e ANSI. Para baterias de óxido de prata, seu código IEC é precedido pela letra S.

Um dos substitutos das baterias de mercúrio corresponde à bateria de óxido de prata, muito mais cara, mas com menor impacto ecológico (imagem superior). Eles originalmente continham mercúrio para proteger o zinco da corrosão alcalina.

Está disponível com tensão de 1,5 V, e suas aplicações são muito semelhantes às da bateria de mercúrio. Na verdade, à primeira vista, as duas baterias parecem idênticas; embora possa haver pilhas de óxido de prata muito maiores.

As reações em seus eletrodos são:

Zn (s) + 2OH⁻(ac) → Zn (OH)₂(s) + 2 e⁻

Ag₂O (s) + 2H⁺(ac) + 2e⁻ → 2Ag (s) + H₂O (l)

A água subsequentemente sofre eletrólise, decompondo-se em íons H⁺ e OH^–.

Observe que, em vez de mercúrio, a prata metálica é formada no cátodo.

- Baterias de níquel-cádmio (NiCad)

A partir deste ponto, as células ou baterias secundárias são consideradas. Como as baterias de mercúrio, as baterias de níquel-cádmio são prejudiciais ao meio ambiente (para a vida selvagem e a saúde) por causa do cádmio metálico.

Eles são caracterizados por gerar altas correntes elétricas e podem ser recarregados um grande número de vezes. Na verdade, eles podem ser recarregados no total 2.000 vezes, o que é igual a uma durabilidade extraordinária.

Seus eletrodos consistem em hidróxido de óxido de níquel, NiO (OH), para o cátodo, e cádmio metálico para o ânodo. A lógica química, em essência, permanece a mesma: o cádmio (em vez do zinco) perde elétrons e o cádmio NiO (OH) os ganha.

As reações de meia célula são:

Cd (s) + 2OH^–(ac) → Cd (OH)₂(s) + 2e^–

2NiO (OH) (s) + 2H₂O (l) + 2e^– → 2Ni (OH)₂(s) + OH^–(ac)

Ânions OH^–Novamente, eles vêm do eletrólito KOH. As baterias de NiCad, então, acabam gerando hidróxidos metálicos de níquel e cádmio.

São utilizados individualmente ou acoplados em embalagens (como o amarelo, imagem acima). Portanto, eles vêm em embalagens grandes ou pequenas. Os mais pequenos encontram uso em brinquedos; mas os grandes são usados para aeronaves e veículos elétricos.

- Baterias de níquel-hidreto metálico (Ni-HM)

Outra célula ou bateria bem conhecida, que excede o NiCad em capacidades de energia, é o Ni-HM (níquel e hidreto metálico). Pode vir em formato cilíndrico (baterias convencionais, imagem acima), ou acoplado em bateria.

Quimicamente, tem quase as mesmas características das baterias de NiCad, com a principal diferença sendo seu eletrodo negativo: o cátodo não é cádmio, mas uma liga intermetálica de terras raras e metais de transição.

Essa liga é responsável por absorver o hidrogênio formado durante o carregamento, gerando um hidreto metálico complexo (daí a letra H em seu nome).

Embora as baterias Ni-HM forneçam mais energia (aproximadamente 40% a mais), são mais caras, gastam-se mais rapidamente e não podem ser recarregadas o mesmo número de vezes que as baterias NiCad; ou seja, eles têm uma vida útil mais curta. No entanto, eles não têm o efeito memória (perda de desempenho das baterias por não serem totalmente descarregadas).

É por esta razão que não devem ser usados em máquinas que funcionam a longo prazo; embora este problema tenha sido aliviado com as baterias LSD-NiHM. Da mesma forma, as células ou baterias Ni-HM têm características térmicas muito estáveis, podendo operar em uma ampla faixa de temperaturas sem representar risco.

Reações

As reações que ocorrem em seus eletrodos são:

Ni (OH)₂(s) + OH⁻(ac) ⇌ NiO (OH) (s) + H₂O (l) + e⁻

H₂O (l) + M (s) + e⁻ ⇌ OH⁻(ac) + MH (s)

- Baterias de íon-lítio

Em células e baterias de lítio, eles são baseados na migração de íons de lítio⁺, que são transferidos do ânodo para o cátodo, produto das repulsões eletrostáticas pelo aumento da carga positiva.

Alguns podem ser recarregados, como baterias de laptop (imagem superior), e outros, baterias cilíndricas e retangulares (LiSO₂, LiSOCl₂ ou LiMnO₂) não.

As baterias de íon-lítio caracterizam-se por serem muito leves e energéticas, o que permite a sua utilização em diversos dispositivos eletrônicos, como smartphones e equipamentos médicos. Da mesma forma, dificilmente sofrem com o efeito memória, sua densidade de carga excede a das células e baterias de NiCad e Ni-HM e demoram mais para descarregar.

No entanto, são muito sensíveis a altas temperaturas, podendo até explodir; e, além disso, tendem a ser mais caras em comparação com outras baterias. Mesmo assim, as baterias de lítio são vistas com bons olhos no mercado e muitos consumidores as consideram as melhores.

- Baterias de chumbo-ácido

E, finalmente, as bactérias de chumbo-ácido, como o nome sugere, não contêm íons OH.^– mas H⁺; especificamente, uma solução concentrada de ácido sulfúrico. As células voltaicas encontram-se dentro de suas caixas (imagem superior), onde três ou seis delas podem ser acopladas em série, dando uma bateria de 6 ou 12 V, respectivamente.

É capaz de gerar grandes quantidades de carga elétrica e, por serem muito pesadas, são destinadas a aplicações ou dispositivos que não podem ser transportados manualmente; por exemplo, carros, painéis solares e submarinos. Esta bateria ácida é a mais antiga e ainda existe na indústria automotiva.

Seus eletrodos são de chumbo: PbO₂ para o cátodo e chumbo metálico esponjoso para o ânodo. As reações que ocorrem neles são:

Pb (s) + HSO⁻₄(aq) → PbSO₄(s) + H⁺(aq) + 2e⁻

PbO₂(s) + HSO⁻₄(aq) + 3H⁺(aq) + 2e⁻ → PbSO₄(s) + 2H₂O (l)

Referências

Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8ª ed.). CENGAGE Learning.
Odunlade Emmanuel. (24 de julho de 2018). Diferentes tipos de baterias e suas aplicações. Circuit Digest. Recuperado de: circuitdigest.com
PRBA. (s.f.). Tipos de baterias. Recuperado de: prba.org
Isidor Buchman. (2019). Qual é a melhor bateria? Battery University. Recuperado de: batteryuniversity.com
The McGraw-Hill Companies. (2007). Capítulo 12: Baterias. [PDF]. Recuperado de: oakton.edu
Shapley Patricia. (2012). Tipos comuns de bateria. Universidade de Illinois. Recuperado de: butane.chem.uiuc.edu
Atitude Ecológica. (22 de janeiro de 2017). Tipos de baterias: guia completo com as baterias existentes. Recuperado de: actitudecologica.com