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As reacções electroquímicas não são reversíveis: durante a descarga a energia eléctrica é libertada, até à exaustão dos compostos químicos. Só podem ser usadas só uma vez até à descarga.
Células (Pilhas/ Baterias) Comerciais
Células Primárias:
Células Secundárias ou Acumuladores:As reacções electroquímicas são reversíveis e os compostos originais podem ser recuperados por aplicação de um potencial entre os eléctrodos. Podem ser recarregadas, até ao número máximo de ciclos de recarga.
Pilha - célula galvânica
Bateria - conjunto de pilhas ou células galvânicas ligadas em série
Características:• Diferença de potencial constante (V), gerada durante um certo tempo, a que corresponde uma corrente eléctrica contínua, também constante. V< f.e.m. (circuito aberto).• Energia total armazenada (E), expressa em W h.• Densidade de Energia (energia total que a pilha fornece dividida pela sua massa, expressa em W h/kg.
PILHAS/BATERIAS PRIMÁRIAS1. Pilhas de Leclanché (pilhas secas)
A – Vedante, em material isolanteB – Cátodo (grafite com a ponta metálica - contacto)C – Ânodo (zinco)D – Mistura de MnO2 (oxidante), e
electrólito, constituído por: NH4Cl
(fonte de H+), e ZnCl2 em água
Reacção Anódica: Zn Zn2+ + 2 e- Reacção Catódica: Mn4+ + e- Mn3+ (reacção verdadeira: 2 MnO2 + 2H+ + 2e- Mn2O3 + H2O) f.e.m.=1.5 V
Aplicações: lanternas, brinquedos, rádios.São as mais baratas no mercado, mas possuem a menor densidade de energia e funcionam mal em aplicações que exijam corrente.
E0 = - 0.763 VZn2+/Zn0
E0 = + 0.95 VMnO2/Mn3+
2. Pilhas AlcalinasÂnodo: Aço em contacto com pó de Zinco
Cátodo: Aço em contacto com pó de MnO2 e grafite
Electrólito: solução aquosa de KOH
plástico protector, isolante
separador em tecido
cátodo: pó de grafite + MnO2 em água e KOH
invólucro em aço, revestido a Níquel (contacto do cátodo)
ânodo: Zinco em pó
colector do ânodo (revestido a Sn)selante em plástico
separador fundo metálico
Reacções parciais de eléctrodo:Zn(s) + 2 OH-(aq)—> ZnO(s) + H2O(l) + 2 e-
2 MnO2(s)+ H2O(l) + 2 e- —>Mn2O3 (s)+ 2 OH- (aq)
Reacção global da pilha:Zn(s) + 2 MnO2(s) —> ZnO(s) + Mn2O3(s) f.e.m.=1.5 V
Aplicações: Rádios, brinquedos, flash de máquinas fotográficas, relógios.
Vantagens: Mais do dobro da densidade de energia e 4 a 9 vezes maior duração que as equivalentes de Leclanché
3. Pilhas de Lítio
Ânodo: Li metálico
Para usos industriais:Cátodo: cloreto de tionilo Electrólito: tetracloreto de lítio
Para consumo:Cátodo: MnO2
Electrólito: um sal de lítio inorgânico composto numa mistura de alta permitividade.
Vantagens: elevada f.e.m.
Aplicações: “pace-makers”, todas as das pilhas alcalinas
E0 = - 3.040 VLi+/Li0
f.e.m. = 3 V
Reacção Anódica:
Reacção Catódica:
Li(s)—> Li+ + e-
E0 = + 0.95 VMnO2/Mn3+2 MnO2 + H2O + 2 e- —>Mn2O3 + 2 OH-
Desvantagens: demasiada reactividade do Li pode levar a inflamações
1. Pilhas Ácidas de Chumbo
PILHAS/BATERIAS SECUNDÁRIAS
6 células ligadas em série, cada uma tendo uma f.e.m. de ~2 V, dando um total de 12 V
Ânodo: Chumbo metálico esponjosoCátodo: Dióxido de chumbo (PbO2)Electrólito: Solução aquosa (~6 M) de H2SO4
Reacção Anódica:
Reacção Catódica:
Reacção Global:
Durante a descarga:
E0 = - 0.36 VPbSO4/Pb0
E0 = + 1.46 VPbO2/Pb2+
Durante a carga:
1. Pilhas Ácidas de Chumbo – Cont.
Aplicações: motores de automóveis, equipamento de construção, barcos de recreio, sistemas de backup. Representam mais de metade das baterias comerciais.
Vantagens: 30-50 W h/kg. 200-300 ciclos. Baixo custo, ciclo de vida longo, capacidade para aquentar maus tratos. Suportam altas e baixas temperaturas.
Desvantagens: O Pb é pesado e tóxico. Reciclar. Para altas voltagens, a água decompõe-se em H2
e O2, o que requer a reposição do nível. Possibilidade de explosão para concentrações elevadas
desta mistura. Fumos do ácido podem ter efeitos corrosivos na área circundante.
Resolução parcial: baterias “seladas” ou com válvula reguladora (sem manutenção).
2. Pilhas de Níquel-Cádmio (NiCd)
Ânodo: Cádmio (Cd)Cátodo: NiO(OH)Electrólito: KOH aquoso
Reacções parcias de Eléctrodo:Anódica: Cd + 2OH- —> Cd(OH)2 + 2e-
Catódica: NiOOH(s) + H2O(l) + e‐ → Ni(OH)2(s) + OH‐(aq)Reacção global:Cd(s) + 2 NiOOH(s) + 2H2O(l) —> Cd(OH)2(s) + Ni(OH)2 (s)
f.e.m.=1.25 VAplicações: Calculadoras, câmaras digitais, lap tops, desfibriladores, veículos eléctricos
Vantagens: 45-80 W h/kg. 1500 ciclos. V constante ao longo do tempo de vida. Resistência significativamente mais baixa do que outras pilhas com a mesma V, podem fornecer correntes mais elevadas.
E0 = - 0.81 VCd2+/Cd0
E0 = + 0.49 VNiOOH/Ni(OH)2
Desvantagens: o Cd é tóxico. Reciclar.
3. Níquel – Hidreto Metálico (NiMH)
As Baterias dos Carros Híbridos de Hoje
(Hidreto metálico)
Reacção Catódica:
M: Composto intermetálico de fórmula AB5, onde A é uma mistura de terras raras (La, Ce, Ne, Pr) e B um metal como Ni, Co, Mn e/ou Al.
Reacção Anódica:
(Oxihidróxido de Níquel)
O ânodo é de um composto intermetálico capaz de se ligar ao H.O cátodo é de NiOOH.Electrólito alcalino, geralmente KOH.Pode ter 2 a 3 vezes a capacidade de uma pilha do mesmo tamanho de NiCd.
f.e.m.=1.25 V
MH(s) + OH‐(aq) → M(s) + H2O(l) + e‐
NiOOH(s) + H2O(l) + e‐ → Ni(OH)2(s) + OH‐(aq)
MH(s) + NiOOH(s) → M(s) + Ni(OH)2(s)
Reacção Global:
Constituição:1ª geração :38 módulos prismáticos de NiMH PanasonicCada módulo contém 6 células de 1.2 V ligadas em série (228 células)2ª geração :28 módulos prismáticos de NiMH PanasonicCada módulo contém 6 células de 1.2 V ligadas em série (168 células)Voltagem nominal: 201.6 VPeso: 53.3 kgPotência de descarga: 20 kW a 50% de carga. Aumenta com o aumento de temperatura.Computador dedicado para manter a temperatura e o nível de carga óptimos.Arrefecimento das bateriais: pelo ar da cabine.
Toyota Prius
Níquel – Hidreto Metálico (NiMH)
Localização: atrás do banco traseiro
Toyota HighlandereLexus RX 400h
Níquel – Hidreto Metálico (NiMH)
Constituição:240 célulasVoltagem nominal: 288 V convertidos pelo boost em 500 VCada módulo tem o seu próprio sistema de controlo e arrrefecimento. A performance do arrefecimento reduz perdas de eficiência por aquecimento excessivo. O sistema de controloe mantém o nível de carga constante enquanto o motor está ligado.18% mais pequena que a NiMH do Prius, mas fornece potência 40% superior.
Localização: por baixo dos bancos traseiros
Ford Escape
Constituição:250 células NiMH Sanyo, cada uma com 1.3 V. Estão soldadas em módulos de 5 células (50 módulos).Voltagem nominal: 330 V.
Níquel – Hidreto Metálico (NiMH)
Honda Insight
Constituição:120 células NiMH Panasonic, com 1.2 V cada.Voltagem nominal: 144 VTem capacidade para descarga de 100 A , 50 A em carga.
Localização:Por baixo da bagageira, junto da unidade de controlo integrada
Níquel – Hidreto Metálico (NiMH)
Saturn Vue Green Line (GM)
Localização:Por baixo da bagageira (no espaço que seria para o pneu sobressalente)
Desenhada por Cobasys (EUA)Voltagem nominal: 36 VCapaz de fornecer 14.5 kW de potência em picoPotência de 12 V para acessórios e potência para carregar a bateria
Níquel – Hidreto Metálico (NiMH)
As Baterias dos Carros Híbridos de Amanhã e dos Carros Eléctricos
4. Pilhas de Ião Lítio A densidade de energia é superior a qualquer outro tipo de célula, como as NiMH usadas correntemente.É esta capacidade que torna possíveis os carros eléctricos.
Ex:As baterias do EV1 da GM (1997) usavam células ácidas de Pb: cada bateria tinha 276 cm e pesava 545 kg. Com as células de Li armazena-se a mesma quantidade de energia (16 kWh) num contentor com 173 cm pesando 181 kg.
4. Pilhas de Ião Litio
Aplicações: portáteis, telemóveis, veículos eléctricos.Vantagens: voltagem elevada , descarga lenta.110-160 W h/kg. 150-250 ciclos. Desvantagens: Perigo de produzir Li metálico em caso de curto-circuito. Reciclar.
Ânodo: grafite com Li intercalado
Dióxido de Cobalto: Li1-xCoO2 LixC6 - 3.7 VNíquel-Cobalto-Manganês (NCM): LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2
Níquel-Cobalto-Alumiíio (NCA): LiNi0.8Co0.2−xAlxO2
Óxido de Manganês (MnO): LiMn2O4 - 4 VFosfato de Ferro (FePo): LiFePO4 - 3.3 V
Parâmetro crítico: a velocidade à qual o cátodo pode absorver e emitir iões Li+ livres
Cátodo:(compostos de intercalação)
LixC6(s) → x Li+(sol) + 6 C(s) + xe‐
Reacção Anódica:
(oxidação do C)
Reacção Catódica:
(redução do Co)
LixC6(s) + Li1 x‐ CoO2(s) → 6 C(s) + LiCoO2(s)Reacção Global:
Cátodo:Li1-xCoO2
Ânodo:LixC6
Electrólito condutor de iões Li+
CARGA
DESCARGA
Li1 x‐ CoO2(s) + x Li+(sol) + xe‐ → LiCoO2(s)
Convertem a energia química (de combustão) directamente em energia eléctrica Pilhas de Combustível
ânodo poroso
cátodo poroso
H2 O2
H2O
electrólito
Reacção Anódica: H2(g) 2 H+(aq) + 2 e-
Reacção Catódica: O2(g) + 4 e- + 4 H+(aq) 2 H2O(l)Reacção Global: 2 H2(g) + O2(g) H2O(l) f.e.m= 1.23 V
Não são células primárias, porque nem os reagentes nem os produtos são armazenados.Os reagentes têm que ser alimentados continuamente.Não são células secundárias, porque não são recarregáveis.
Aplicações: submarinos não nucleares, aeronaves, primeiros automóveis (GM)Vantagens: Não são poluentes: o único subproduto é H2O e esta pode ser reutilizada pelas tripulações. Desvantagens: preço, armazenamento e transporte de H2.
Ver na membrana as várias hipóteses incluindo polímeros, sais inorgânicos fundidos e electrólitos
Alkali fuel cells Molten Carbonate fuel cells (MCFC)Phosphoric Acid fuel cells (PAFCProton Exchange Membrane (PEM) fuel cells work with a polymer electrolyte in the form of a thin, permeable sheet. Solid Oxide fuel cells (SOFC)
Células Directas de Combustível de Metanol
CO envenena o catalisador de Pt
200 mW/cm2
0.5 V (4-5 bar O2) 140 oC
Catalisadores de Pt-Ru apresentam melhor performance
eléctrodos porosos membrana condutora de protões
O2 /ar
H2O /ar
Liberta CO2
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