Mundo da bateria - parte 3

A história das baterias modernas começa no século XIX, deste século se originam a maioria dos projetos em uso hoje. Esta situação testemunha, por um lado, as excelentes ideias dos cientistas da época e, por outro, as dificuldades que surgem no desenvolvimento de novos modelos.

Poucas coisas são tão boas que não possam ser melhoradas. Esta regra também se aplica às baterias - os modelos do século XNUMX foram refinados muitas vezes até assumirem sua forma atual. Isso também se aplica a Células de Leclanche.

Link para melhorar

O design do químico francês foi alterado Carlos Gasner em um modelo realmente útil: barato de fabricar e seguro de usar. No entanto, ainda havia problemas - o revestimento de zinco do elemento corroeu ao entrar em contato com o eletrólito ácido que enchia a tigela, e respingar conteúdo agressivo poderia desativar o dispositivo alimentado. A decisão tornou-se amalgamação a superfície interna do corpo de zinco (revestimento de mercúrio).

O amálgama de zinco praticamente não reage com ácidos, mas retém todas as propriedades eletroquímicas do metal puro. No entanto, devido às regulamentações ambientais, esse método de prolongar a vida útil das células é usado cada vez menos (em células sem mercúrio, você pode encontrar a inscrição ou) (1).

2. Layout da célula alcalina: 1) caixa (chumbo do cátodo), 2) cátodo contendo dióxido de manganês, 3) separador de eletrodo, 4) ânodo contendo KOH e pó de zinco, 5) terminal do ânodo, 6) vedação da célula (isolador do eletrodo). .

Outra maneira de aumentar a longevidade e a vida das células é adicionar cloreto de zinco ZnCl₂ para pasta de enchimento de copos. As células deste design são muitas vezes referidas como Heavy Duty e (como o nome sugere) são projetadas para alimentar dispositivos com maior consumo de energia.

Um avanço no campo das baterias descartáveis ​​foi a construção em 1955 de pilha alcalina. invenção do engenheiro canadense Lewis Urry, utilizado pela atual empresa Energizer, possui uma estrutura ligeiramente diferente da célula de Leclanchet.

Primeiro, você não encontrará um cátodo de grafite ou um copo de zinco lá. Ambos os eletrodos são feitos na forma de pastas úmidas e separadas (espessantes mais reagentes: o cátodo consiste em uma mistura de dióxido de manganês e grafite, o ânodo de pó de zinco com uma mistura de hidróxido de potássio), e seus terminais são feitos de metal ( 2). No entanto, as reações que ocorrem durante a operação são muito semelhantes às que ocorrem na célula de Leclanchet.

Tarefa. Realize uma "autópsia química" em uma célula alcalina para descobrir que o conteúdo é realmente alcalino (3). Lembre-se que as mesmas precauções se aplicam ao desmantelamento da célula de Leclanchet. Consulte o campo Código da bateria para saber como identificar uma célula alcalina.

3. "Seção" da pilha alcalina confirma o teor alcalino.

Baterias caseiras

4. Pilhas domésticas Ni-MH e Ni-Cd.

As células que podem ser recarregadas após o uso têm sido o objetivo dos designers desde o início do desenvolvimento da ciência da eletricidade, daí os muitos tipos delas.

Atualmente, um dos modelos utilizados para alimentar pequenos eletrodomésticos são baterias de níquel-cádmio. Seu protótipo apareceu em 1899, quando um inventor sueco o fez. Ernst Jungner solicitou uma patente para uma bateria de níquel-cádmio que poderia competir com baterias já amplamente utilizadas na indústria automotiva. bateria de chumbo ácido.

O ânodo da célula é o cádmio, o cátodo é um composto de níquel trivalente, o eletrólito é uma solução de hidróxido de potássio (em designs “secos” modernos, uma pasta úmida de espessantes saturada com uma solução de KOH). As baterias Ni-Cd (essa é a designação) têm uma tensão operacional de aproximadamente 1,2 V - menor que a das células descartáveis, o que, no entanto, não é um problema para a maioria das aplicações. A grande vantagem é a capacidade de consumir uma corrente significativa (mesmo alguns amperes) e uma ampla faixa de temperaturas de operação.

5. Verifique os requisitos para diferentes tipos de baterias antes de carregar.

A desvantagem das baterias de níquel-cádmio é um "efeito memória" oneroso. Isso ocorre ao recarregar frequentemente baterias de Ni-Cd parcialmente descarregadas: o sistema se comporta como se sua capacidade fosse apenas igual à carga reabastecida pela recarga. Em alguns tipos de carregadores, o "efeito memória" pode ser reduzido carregando as células em um modo especial.

Portanto, as baterias de níquel-cádmio descarregadas devem ser carregadas em um ciclo completo: primeiro completamente descarregadas (usando a função de carregador apropriada) e depois recarregadas. A recarga frequente também reduz a vida útil estimada de 1000-1500 ciclos (que muitas células descartáveis ​​serão substituídas por uma única bateria durante sua vida útil, de modo que o custo de compra mais alto se pagará muitas vezes, sem mencionar muito menos esforço na bateria ). ambiente com a produção e eliminação de células).

Elementos de Ni-Cd contendo cádmio tóxico foram substituídos baterias de níquel-hidreto metálico (designação Ni-MH). Sua estrutura é semelhante às baterias de Ni-Cd, mas em vez de cádmio, é utilizada uma liga metálica porosa (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, metais de terras raras) com capacidade de absorver hidrogênio (4). A tensão de operação da célula Ni-MH também é de cerca de 1,2 V, o que permite que sejam usadas de forma intercambiável com baterias NiCd. A capacidade das células de níquel-hidreto metálico é maior que a das células de níquel-cádmio do mesmo tamanho. No entanto, os sistemas NiMH se autodescarregam mais rapidamente. Já existem designs modernos que não possuem essa desvantagem, mas custam muito mais que os modelos padrão.

As baterias de níquel-hidreto metálico não apresentam "efeito memória" (células parcialmente descarregadas podem ser recarregadas). No entanto, é sempre necessário verificar os requisitos de carregamento de cada tipo nas instruções do carregador (5).

No caso de baterias Ni-Cd e Ni-MH, não recomendamos desmontá-las. Primeiro, não encontraremos nada de útil neles. Em segundo lugar, o níquel e o cádmio não são elementos seguros. Não corra riscos desnecessariamente e deixe o descarte para profissionais capacitados.

O rei dos acumuladores, ou seja...

6. "Rei das baterias" no trabalho.

… Bateria de chumbo ácido, construído em 1859 por um físico francês Gaston Plantego (sim, sim, o aparelho completa 161 anos este ano!). O eletrólito da bateria é cerca de 37% de solução de ácido sulfúrico (VI), e os eletrodos são de chumbo (ânodo) e chumbo revestido com uma camada de dióxido de chumbo PbO.₂ (cátodo). Durante a operação, forma-se um precipitado de sulfato de chumbo(II)(II)PbSO nos eletrodos₄. Ao carregar, uma célula tem uma tensão de mais de 2 volts.

bateria de chumbo na verdade, tem todas as desvantagens: peso significativo, sensibilidade à descarga e baixas temperaturas, necessidade de armazenamento em estado carregado, risco de vazamento agressivo de eletrólitos e uso de metal tóxico. Além disso, requer manuseio cuidadoso: verificação da densidade do eletrólito, adição de água nas câmaras (use apenas destilado ou deionizado), controle de tensão (a queda abaixo de 1,8 V em uma câmara pode danificar os eletrodos) e um modo de carregamento especial.

Então, por que a estrutura antiga ainda está em uso? O “Rei dos Acumuladores” tem o que é um atributo de um verdadeiro governante - o poder. Alto consumo de corrente e alta eficiência energética de até 75% (esta quantidade de energia usada para carregar pode ser recuperada durante a operação), bem como design simples e baixo custo de produção, significam que bateria de chumbo É usado não apenas para dar partida em motores de combustão interna, mas também como elemento de alimentação de emergência. Apesar de 160 anos de história, a bateria de chumbo ainda está indo bem e não foi suplantada por outros tipos desses dispositivos (e com ela o próprio chumbo, que, graças à bateria, é um dos metais produzidos em maior quantidade) . Enquanto a motorização baseada em motores de combustão interna continuar a se desenvolver, sua posição provavelmente não será ameaçada (6).

Os inventores não pararam de tentar criar um substituto para a bateria de chumbo-ácido. Alguns dos modelos se tornaram populares e ainda são usados ​​na indústria automotiva hoje. Na virada dos séculos XIX e XX, foram criados projetos nos quais a solução H não foi usada.₂SO₄mas eletrólitos alcalinos. Um exemplo é a bateria de níquel-cádmio de Ernst Jungner mostrada acima. Em 1901 Thomas Alva Edison mudou o design para usar ferro em vez de cádmio. Comparadas às baterias ácidas, as baterias alcalinas são muito mais leves, podem operar em baixas temperaturas e não são tão difíceis de manusear. No entanto, sua produção é mais cara e a eficiência energética é menor.

E o que vem a seguir?

Claro, os artigos sobre baterias não esgotam as questões. Eles não discutem, por exemplo, as células de lítio, também comumente usadas para alimentar eletrodomésticos, como calculadoras ou placas-mãe de computadores. Você pode aprender mais sobre eles no artigo de janeiro sobre o Prêmio Nobel de Química do ano passado e na parte prática - em um mês (incluindo demolição e experiência).

Há boas perspectivas para células, especialmente baterias. O mundo está se tornando cada vez mais móvel, o que significa a necessidade de se tornar independente dos cabos de energia. Garantir o fornecimento eficiente de energia para veículos elétricos também é um grande problema. - para que possam competir com carros com motor de combustão interna também em termos de economia.

bateria acumuladora

Para facilitar a identificação do tipo de célula, foi introduzido um código alfanumérico especial. Para os tipos mais comumente encontrados em nossas casas para pequenos eletrodomésticos, tem a forma número-letra-letra-número.

E sim:

- o primeiro dígito é o número de células; ignorado para células únicas;

– a primeira letra indica o tipo de célula. Quando está faltando, você está lidando com o link Leclanche. Outros tipos de células são rotulados da seguinte forma:

C – pilha de lítio (o tipo mais comum),

H – Bateria Ni-MH,

K – bateria de níquel-cádmio,

L – pilha alcalina;

- a seguinte letra indica a forma do link:

F - placa,

R - cilíndrico,

P - a designação geral de elos com forma diferente da cilíndrica;

– a figura ou figuras finais indicam o tamanho do link (valores de catálogo ou dimensões indicando diretamente) (7).

7. Dimensões de pilhas e baterias populares.

Exemplos de marcação:

R03
- uma célula de zinco-grafite do tamanho de um dedo mindinho. Outra designação é AAA ou.

LR6 - uma pilha alcalina do tamanho de um dedo. Outra designação é AA ou.

HR14 – Bateria Ni-MH; a letra C também é usada para indicar o tamanho.

KR20 – Bateria Ni-Cd, cujo tamanho também está marcado com a letra D.

3LR12 - uma bateria descarregada com tensão de 4,5 V, composta por três células alcalinas cilíndricas.

6F22 - Bateria de 9 volts, composta por seis células planas Leclanchet.

CR2032 – célula de lítio com diâmetro de 20 mm e espessura de 3,2 mm.

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