Guido Stolfi 1 / 87 Baterias PTC2527 – Anteprojeto de Formatura Guido Stolfi – 05 / 2014

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  • Guido Stolfi 1 / 87 Baterias PTC2527 Anteprojeto de Formatura Guido Stolfi 05 / 2014
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  • Guido Stolfi 2 / 87 O que uma Bateria? Clula Eletroqumica Converte energia qumica em eltrica atravs de reao de xido-reduo Estrutura: Anodo: eletrodo negativo, libera eltrons ao circuito externo enquanto oxidado Catodo: eletrodo positivo, absorve eltrons do circuito externo enquanto reduzido quimicamente Eletrlito: condutor inico, transfere carga eltrica entre anodo e catodo na forma de ons Separador: permevel aos ons, evita contato eltrico entre anodo e catodo
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  • Guido Stolfi 3 / 87 O que uma Bateria? Bateria: Estritamente, um conjunto de clulas associadas em srie e/ou paralelo, para aumentar a voltagem e / ou capacidade de energia Uso coloquial genrico para clulas secundrias Pilha: Denominao genrica, originria da Pilha de Volta
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  • Guido Stolfi 4 / 87 Origens Pilha de Volta Descoberta de Alessandro Volta (Itlia, 1800) Pilha de clulas Zn-H Anodo: Zinco Catodo: Cobre ou Prata Eletrlito: Soluo de cido Sulfrico ou gua salgada Separador: Tecido ou papel Reao andica: Zn Zn 2+ + 2 e Reao catdica: 2 H + + 2 e H 2 Voltagem: ~ 0,7 V por clula
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  • Guido Stolfi 5 / 87 Clula Partiana (Bagd, 250 A.C.)
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  • Guido Stolfi 6 / 87 Pilhas e Baterias
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  • Guido Stolfi 7 / 87 Classificao das Clulas Eletroqumicas Clula Primria Clula Secundria Clula de Reserva Clula de Combustvel
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  • Guido Stolfi 8 / 87 Clula Primria Reao qumica irreversvel No so projetadas para (ou no podem) ser recarregadas Alta capacidade especfica (Wh / kg ou Wh / cm 3 ) Longa vida em uso e armazenamento Baixo custo, ampla disponibilidade Livres de manuteno Uso geral (Pilhas Inclusas) Ex.: Leclanch (Zn/MnO 2 ), Alcalina (Zn/MnO 2 /KOH), Ltio (Li/SO 2, Li/MnO 2, ), xido de Prata (Zn/Ag 2 O), Mercrio (Zn/HgO)
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  • Guido Stolfi 9 / 87 Clula Primria Operao durante a descarga (exemplo): Reao andica (oxidao): Li Li + + e Reao catdica (reduo): MnO 2 + e MnO 2 Reao total de descarga: Li + MnO 2 Li + + MnO 2 (LiMnO 2 )
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  • Guido Stolfi 10 / 87 Clula Secundria Reao qumica reversvel Projetada para ser recarregada invertendo o sentido da corrente Custo maior, porm mais econmicas ao longo do uso Boa capacidade especfica (Wh / kg ou Wh / cm 3 ) Alta capacidade de corrente de descarga Menor reteno de carga Uso geral e como armazenamento de energia Ex.: Chumbo-cido (Pb/PbO 2 ), Nquel-Cdmio (Cd/NiOOH), Ltio-on (LiC/LiCoO 2 ), Ferro-nquel (Fe/NiOOH), Sdio-enxofre (Na/S)
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  • Guido Stolfi 11 / 87 Clula Secundria Operao durante a descarga (exemplo): Reao andica (oxidao): Cd + 2 OH Cd(OH) 2 + 2 e Reao catdica (reduo): NiOOH + H 2 O + e OH + Ni(OH) 2 Reao total de descarga: Cd + 2 NiOOH + 2 H 2 O Cd(OH) 2 + 2 Ni(OH) 2
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  • Guido Stolfi 12 / 87 Clula Secundria Operao durante a carga (exemplo): Sentido da corrente inverte Catodo e Anodo trocam de denominao Reao andica (oxidao): Ni(OH) 2 + OH NiOOH + H 2 O + e Reao catdica (reduo): Cd(OH) 2 + 2 e Cd + 2 OH Reao total de carga: Cd(OH) 2 + 2 Ni(OH) 2 Cd + 2 NiOOH + 2 H 2 O
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  • Guido Stolfi 13 / 87 Clula de Reserva Clula Primria de Ativao Um dos elementos / reagentes est separado dos demais Ativao por fuso, ruptura de barreira, gs, gua do mar etc. Vida extremamente longa em reserva ( 10 ~ 50 anos) Rpida ativao ( milissegundos) Alta capacidade especfica Curta vida til aps ativao Uso militar, equipamentos de emergncia Ex.: Magnsio-gua (Mg/AgCl + H 2 O ), Zinco-mangans+gua salgada, Zinco-amnia (Zn/PbO 2 + NH 4 SCN), Ltio-clorato (Li + SOCl 2 ),
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  • Guido Stolfi 14 / 87 Clula de Reserva Militar: Ativao por Impacto/ centrifuga Civil: Ativao por Imerso em gua salgada
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  • Guido Stolfi 15 / 87 Clula de Combustvel Clula Primria Um ou mais dos elementos so inseridos continuamente Eletrodos inertes, em geral catalisadores Em estado experimental em muitos casos Uso aeroespacial, outras aplicaes emergentes Ex.: Hidrognio-oxignio (H 2 / O 2 ), Metanol-ar (CH 3 OH / O 2 )
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  • Guido Stolfi 16 / 87 Clula de Combustvel Membrana permevel: Freon + cido trifluorometanosulfnico Eletrodos: PTFE / platina / carbono Reao andica: H 2 2 H + + 2 e Reao catdica: O 2 + 2 H + + 2 e H 2 O Reao total de descarga: H 2 + O 2 H 2 O
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  • Guido Stolfi 17 / 87 Caractersticas Gerais das Clulas Eletroqumicas
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  • Guido Stolfi 18 / 87 Voltagem da Clula OxidanteE o (V)Redutor OxidanteE o (V)Redutor F2F2 +2.87F-F- H3O+H3O+ 0.00H 2 (g) S2S2 +2.10SO 4 2- CH 3 CO 2 H-0.12CH 3 CHO MnO 4 - +1.69MnO 2 Pb 2+ -0.13Pb MnO 4 - +1.51Mn 2+ Sn 2+ -0.14Sn Au 3+ +1.50Au Ni 2+ -0.23Ni PbO 2 +1.45Pb 2+ Cd 2+ -0.40Cd Cl 2 (aq) +1.39Cl - Fe 2+ -0.44Fe Cr 2 O 7 2- +1.33Cr 3+ Zn 2+ -0.76Zn O 2 (g) +1.23H2OH2O Al 3+ -1.66Al Br 2 +1.07Br - Mg 2+ -2.37Mg NO 3 - +0.96NO (g) Na + -2.71Na Ag + +0.80Ag Ba 2+ -2.90Ba Fe 3+ +0.77Fe 2+ K+K+ -2.92K I 2 (aq) +0.62I-I- Li + -3.02Li Cu 2+ +0.34Cu CH 3 CHO+0.19CH 3 CH 2 OH SO 4 2- +0.17SO 2 S 4 O 6 2- +0.09S 2 O 3 2- Potencial eletromotivo padro para reaes qumicas
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  • Guido Stolfi 19 / 87 Circuito Equivalente da Clula E 0 = Voltagem terica, depende dos materiais do anodo e catodo, do eletrlito e da temperatura Re = Resistncia de conduo do eletrlito (inica) e dos eletrodos (hmica) Rp = Polarizao de ativao (energia necessria para vencer a polarizao dos eletrodos) Rc = Polarizao por concentrao (devida variao de concentrao dos ons na vizinhana dos eletrodos)
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  • Guido Stolfi 20 / 87 Circuito Equivalente da Clula
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  • Guido Stolfi 21 / 87 Descarga da Clula medida que os reagentes so consumidos: Tenso em aberto diminui pouco Tenso em carga diminui mais Resistncia interna aumenta
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  • Guido Stolfi 22 / 87 Efeito da Temperatura medida que a temperatura aumenta: Capacidade total aumenta Resistncia interna diminui Corrente de fuga (auto-descarga) aumenta
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  • Guido Stolfi 23 / 87 Capacidade de uma Bateria Vida til: enquanto a tenso em operao estiver acima da tenso final Tenso final: ponto a partir do qual a energia disponvel cai rapidamente, ou Ponto a partir do qual a bateria perde capacidade de recarga (clulas secundrias) Capacidade total: pode ser medida em A.h, W.h ou Joules (1 W.h = 3600 J) Capacidade efetiva pode ser muito menor que a capacidade terica (calculada a partir da energia qumica dos reagentes)
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  • Guido Stolfi 24 / 87 Capacidade Especfica de uma Bateria Energia disponvel em relao massa da bateria (em comparao com outras formas de energia) Capacidade efetiva depende da forma de descarga MaterialEnergia (J / kg) Pilha alcalina, Ltio-on5 x 10 5 Bateria Chumbo-cido1,8 x 10 5 Clula de Combustvel H25 x 10 6 ~ 3 x 10 5 Gasolina, GLP4,6 x 10 7 Urnio (Fisso nuclear)8 x 10 13
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  • Guido Stolfi 25 / 87 Descarga com Resistncia Constante Ex.: Lanterna, rdio de pilha, etc. Desempenho varia ao longo do tempo Descarga mais rpida no incio e lenta no final
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  • Guido Stolfi 26 / 87 Descarga com Corrente Constante Ex.: Circuito com regulador de tenso linear Desempenho constante ao longo do tempo Descarga mais rpida
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  • Guido Stolfi 27 / 87 Descarga com Potncia Constante Ex.: Circuito com regulador de tenso chaveado Desempenho constante ao longo do tempo Descarga acelerada no final
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  • Guido Stolfi 28 / 87 Modos de Descarga Para mesma potncia disponvel no final da vida da clula, o modo de descarga com potncia constante possui a maior eficincia (maior vida til da carga da bateria). Capacidade da bateria depende do modo de descarga.
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  • Guido Stolfi 29 / 87 Curvas de Descarga de Clulas Tipos: P = Primria S = Secundria
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  • Guido Stolfi 30 / 87 Efeito da Temperatura
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  • Guido Stolfi 31 / 87 Auto Descarga (Vida til de Prateleira)
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  • Guido Stolfi 32 / 87 reas de Aplicao das Baterias
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  • Guido Stolfi 33 / 87 Capacidades Prticas e Tericas
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  • Guido Stolfi 34 / 87 Clulas Primrias
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  • Guido Stolfi 35 / 87 Clulas Primrias TipoCaractersticasAplicaes Zn-C / NH 4 Cl (Zn-MnO 2, Leclanch) Baixo custo, variedade de tamanhos Brinquedos, lanternas, produtos de consumo de vida til curta Zn-MnO 2 +KOH (Alcalina) Excelente capacidade, custo moderado, elevada vida til Uso geral em equipamentos portteis, sem fio, altas e baixas temperaturas LtioAlta capacidade, longa vida til e de prateleira Backup de memrias RAM, relgios Zn-Ag 2 O (Prata)Maior capacidade por peso, descarga com tenso constante Relgios, prteses auditivas
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  • Guido Stolfi 36 / 87 Curvas de Descarga Pilhas tamanho AA
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  • Guido Stolfi 37 / 87 Pilha Leclanch
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  • Guido Stolfi 38 / 87 Pilha Alcalina
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  • Guido Stolfi 39 / 87 Pilha de Zinco - Prata Descarga com resistncia constante
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