As baterias eléctricas têm uma gama extremamente vasta de aplicações. São utilizados como fonte de electricidade em brinquedos para criançasAs baterias são também utilizadas em ferramentas eléctricas e como fonte de propulsão em veículos eléctricos. Para utilizá-los correctamente, é necessário conhecer as suas propriedades, os seus pontos fortes e fracos.
Conteúdos
O que é uma bateria eléctrica e como é construída?
A bateria eléctrica - é um fonte de energia eléctrica. Ao contrário das células galvânicas, uma vez descarregadas, podem ser carregadas novamente. Em princípio, todas as baterias têm a mesma estrutura e consistem num cátodo e num ânodo colocado num electrólito.
O material do eléctrodo e a composição do electrólito varia, e é isto que determina as propriedades de consumo das pilhas e a sua aplicação. Um separador dieléctrico poroso - um separador impregnado de electrólito - pode ser colocado entre o cátodo e o ânodo. Mas determina principalmente as propriedades mecânicas do conjunto e não afecta fundamentalmente o funcionamento da célula.
Basicamente, o funcionamento da bateria é baseado em duas conversões de energia:
- eléctrico a químico em carga;
- química à energia eléctrica na descarga.
Ambas as conversões são baseadas em reacções químicas reversíveis, cujo curso é determinado pelas substâncias utilizadas na bateria. Na célula chumbo-ácido, por exemplo, a parte activa do ânodo é feita de dióxido de chumbo e o cátodo é feito de chumbo metálico. Os eléctrodos estão num electrólito de ácido sulfúrico. Durante a descarga no ânodo, o dióxido de chumbo é reduzido a sulfato de chumbo e água, e o chumbo no cátodo é oxidado a sulfato de chumbo. Durante a carga, ocorrem as reacções opostas. Em outras concepções de bateria, os componentes reagem de forma diferente, mas o princípio é semelhante.
Tipos e tipos de baterias
As propriedades de consumo das baterias recarregáveis são determinadas principalmente pela sua tecnologia de produção. Vários tipos de células de bateria são os mais comuns nos lares e na indústria.
Chumbo-ácido .
Este tipo de baterias foi inventado em meados do século XIX, e ainda tem o seu nicho de aplicação. Entre as suas vantagens encontram-se:
- tecnologia simples, barata e de produção desenvolvida ao longo de décadas;
- alta produção de corrente;
- longa vida útil (de 300 a 1000 ciclos de carga-descarga);
- a corrente de auto-descarga mais baixa;
- sem efeito de memória.
Existem algumas desvantagens. Em primeiro lugar, é a baixa densidade de potência que leva ao aumento das dimensões e do peso. Além disso, foi observado um fraco desempenho a temperaturas abaixo de zero, especialmente abaixo dos 20 °C negativos. Há também problemas com a eliminação - os compostos de chumbo são bastante tóxicos. Mas isto é um desafio para outros tipos de baterias também tem de ser tratado..
Embora a concepção das baterias de chumbo-ácido tenha sido optimizada, mesmo aqui existem opções de melhoramento. Por exemplo, existe a tecnologia AGM onde um material poroso impregnado com electrólito é colocado entre os eléctrodos. Os processos de carga e descarga electroquímica não são afectados. Isto melhora principalmente as características mecânicas das baterias (resistência a vibrações, capacidade de trabalhar em quase qualquer posição, etc.) e aumenta ligeiramente a segurança operacional.
Também uma vantagem notável é a operação melhorada sem perda de capacidade e produção de corrente a temperaturas até 30°C negativos. Os produtores de AGM-batteries afirmam ter aumentado a corrente inicial e a vida útil.
Outra modificação da bateria de chumbo-ácido é a bateria de gel. O electrólito é engrossado a uma condição gelatinosa. Isto evita a fuga de electrólitos durante o funcionamento e elimina a possibilidade de gaseamento. No entanto, a saída de corrente é um pouco reduzida, limitando a utilização de baterias de gel como baterias de arranque. As propriedades milagrosas declaradas de tais baterias em termos de aumento da capacidade e da vida útil são da responsabilidade de especialistas de marketing.
As baterias de chumbo-acumulador são normalmente carregadas no modo de estabilização da tensão. Isto aumenta a voltagem da bateria e diminui a corrente de carga. O fim do processo de carregamento é indicado pela queda actual para um limite pré-estabelecido.
Níquel-cádmio .
Estão a chegar ao fim da sua idade e a sua gama de utilização está a diminuir gradualmente. A sua principal desvantagem é o seu efeito de memória. Se começar a carregar uma bateria de Ni-Cd descarregada incompletamente, a célula "lembra-se" deste nível e a capacidade é então determinada por este valor. Outro problema é a baixa compatibilidade com o ambiente. Os compostos tóxicos de cádmio causam problemas com a eliminação de tais baterias. Outras desvantagens incluem:
- elevada tendência para a auto-descarga;
- capacidade energética relativamente baixa.
Mas também há vantagens:
- baixo custo;
- longa vida útil (até 1000 ciclos de carga-descarga);
- capacidade de emitir uma corrente elevada.
Os méritos de tais baterias incluem também a capacidade de funcionar a baixas temperaturas negativas.
As células de Ni-Cd são carregadas em modo de corrente constante. A plena utilização da capacidade pode ser conseguida através de uma diminuição gradual ou contínua da corrente de carga. O fim do processo é controlado por uma redução da tensão da célula.
Hidreto de metal de níquel .
São concebidas para substituir as pilhas de níquel-cádmio. Têm muitas melhores características e características de desempenho do que as baterias de Ni-Cd. O efeito de memória foi parcialmente eliminado, a capacidade de potência aumentou cerca de uma vez e meia e a tendência para a auto-descarga foi reduzida. Ao mesmo tempo, a produção actual tem-se mantido elevada e o custo tem-se mantido aproximadamente ao mesmo nível. A questão ambiental é atenuada - as baterias são produzidas sem a utilização de compostos tóxicos. Contudo, isto foi pago por um ciclo de vida consideravelmente mais baixo (até 5 vezes mais curto) e a capacidade de funcionar a temperaturas negativas de -20°C contra -40°C para baterias de níquel-cádmio.
Estas células são carregadas em modo DC. O fim do processo é controlado à medida que a tensão de cada célula sobe para 1,37 volts. A corrente pulsada com emissões negativas é o modo de carga mais favorável. Desta forma, os efeitos do efeito de memória são eliminados.
Baterias de iões de lítio
As baterias de iões de lítio estão a tomar conta do mundo. Estão a deslocar outros tipos de baterias de áreas onde a posição parecia imutável. As células de iões de lítio praticamente não têm efeito de memória (está presente, mas a um nível teórico), suportam até 600 ciclos de carga-descarga, e têm uma capacidade de 2-3 vezes a das baterias de níquel-hidreto metálico.
A tendência para a auto-descarga durante o armazenamento também é mínima, mas tem de pagar literalmente por tudo isto - tais baterias são muito mais caras do que as baterias tradicionais. É provável que os preços caiam à medida que a produção se desenvolve, como é normalmente o caso, mas outros inconvenientes inerentes a tais baterias - menor produção de corrente, incapacidade de operar a temperaturas abaixo de zero - são pouco prováveis de serem ultrapassados pela tecnologia existente.
Juntamente com um aumento do risco de incêndio, isto dificulta de certa forma a utilização de Baterias de iões de lítio. Também deve ser considerado que tais células estão sujeitas a degradação. Mesmo que não sejam carregados e descarregados, a sua esperança de vida em si diminui para zero em 1,5...2 anos de armazenamento.
O modo de carregamento mais favorável é em duas fases. Primeiro com corrente constante (com uma voltagem suavemente crescente), depois com voltagem constante (com uma corrente suavemente decrescente). Na prática, a segunda fase é implementada como uma corrente de carga em constante decréscimo. Mais frequentemente esta etapa consiste num único passo - apenas uma corrente estabilizada decrescente.
As principais características das pilhas
O primeiro parâmetro que se procura quando se escolhe uma bateria é o seu tensão nominal. A voltagem de uma única célula de bateria é determinada pelos processos físicos e químicos que decorrem no interior da célula e depende do tipo de bateria. Uma bateria totalmente carregada pode ser entregue:
- célula de chumbo-ácido - 2,1 volts;
- níquel cádmio - 1,25 volts;
- hidreto de níquel-metal - 1,37 volts;
- Lítio-ião - 3,7 volts.
Para obter tensões mais elevadas, as células são montadas em baterias. Assim, para uma bateria de automóvel, 6 baterias de chumbo-ácido têm de ser ligadas em série para produzir 12 volts (12,6 volts para ser exacto), e para uma chave de parafusos de 18 volts, 5 baterias de iões de lítio de 3,7 volts cada.
O segundo parâmetro importante é capacidade. Isto determina o tempo de funcionamento da bateria sob carga. É medido em ampere horas (corrente dividida pelo tempo). Por exemplo, uma bateria com uma capacidade de 3 A⋅h será descarregada em 3 horas com uma corrente de 1 ampère, e com uma corrente de 3 ampères em 1 hora.
Importante! Estritamente falando, a capacidade de uma bateria depende da corrente de descarga o produto do tempo de descarga de corrente e a descarga de corrente com valores de carga diferentes não será o mesmo para a mesma bateria.
E o terceiro parâmetro importante capacidade de transporte de corrente. Esta é a corrente máxima que uma bateria pode fornecer. Isto é importante, por exemplo, para bateria do carro - determina a capacidade de manivela do eixo do motor em tempo frio. Também a capacidade de fornecer correntes elevadas, criando um elevado torque, é importante para as ferramentas eléctricas, por exemplo. Para aparelhos móveis, no entanto, esta característica é menos importante.
As propriedades eléctricas e o desempenho das baterias dependem da sua concepção e tecnologia de produção. A utilização adequada da bateria implica a utilização das vantagens das fontes de energia química renováveis e o nivelamento das desvantagens.
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