O princípio de funcionamento da pilha

A conceção da pilha não se caracteriza pela sua complexidade: é constituída por um ânodo de carbono poroso, um cátodo de lítio, uma placa de separação entre eles e uma substância electrolítica que actua como condutor de corrente. Quando a bateria é descarregada, os iões deslocam-se do ânodo para o cátodo de lítio através do eletrólito, contornando o separador. Por outro lado, quando a bateria está a ser carregada, o cátodo de lítio liberta iões enquanto o ânodo de carbono os recebe. Este processo representa o ciclo iónico entre os eléctrodos com cargas opostas de uma bateria de iões de lítio.

A composição específica do cátodo pode variar consoante o modelo específico ou o fabricante da bateria. Muitas empresas efectuam testes com diferentes tipos de compostos de lítio para modificar o desempenho dos seus dispositivos a seu gosto.

No entanto, é evidente que quando se melhoram determinadas características, é inevitável que se tenha de comprometer outras. Na maioria das vezes, as baterias de iões de lítio com maior capacidade, tendo em conta os utilizadores e o ambiente, tendem a ser excessivamente caras ou a exigir uma manutenção excessiva.

No entanto, uma caraterística das baterias de lítio, que as distingue de outros tipos de baterias, é a sua baixa taxa de auto-descarga.

Princípios de funcionamento

A bateria funciona utilizando a interação entre o dióxido de chumbo encontrado na placa positiva, o chumbo esponjoso encontrado na placa negativa e uma mistura de ácido sulfúrico e água conhecida como eletrólito. O eletrólito tem uma densidade de 1.28 g/cm3 e serve de condutor de corrente eléctrica. À medida que a reação ocorre, forma-se sulfato de chumbo na placa negativa e liberta-se água do eletrólito, provocando uma diminuição da sua densidade.

Quando uma fonte externa, como um gerador ou um carregador, fornece corrente eléctrica, o processo eletroquímico inicia uma inversão. Os eléctrodos negativos reduzem o chumbo puro, enquanto os eléctrodos positivos regeneram o dióxido de chumbo. Este processo também resulta num aumento da densidade do eletrólito.

Por conseguinte, a pilha funciona com base no princípio do método de dupla sulfatação, que lhe permite restaurar totalmente as suas propriedades originais. A durabilidade da pilha é diretamente influenciada pela qualidade dos materiais utilizados.

O princípio de funcionamento da bateria

Como funciona uma pilha

O movimento das partículas carregadas positivamente em direção às partículas negativas ocorre dentro de um eletrólito, que serve de meio para este movimento. As partículas carregadas são geradas através da interação de várias substâncias. Todo o princípio de funcionamento de uma pilha é baseado numa reação química.

Para evitar que ocorra um curto-circuito no ponto de contacto entre os "mais" e os "menos" e "menos" nos terminais, o dispositivo necessita de uma carga, como uma lâmpada ou um díodo.

Durante o funcionamento da pilha, os ânodos sofrem oxidação e deterioração. Com o passar do tempo, a pilha perde a sua carga e necessita de ser substituída. As tentativas de restaurar a sua funcionalidade revelar-se-ão inúteis, uma vez que as alterações que ocorrem na bateria são irreversíveis.

A tentativa de carregar o desenho resultará numa explosão ou numa fuga. No entanto, os cientistas desenvolveram com sucesso uma pilha recarregável, conhecida como acumulador, através de extensa experimentação.

Processos químicos no interior da bateria

Segue-se uma breve descrição do funcionamento interno de uma caixa metálica. As baterias eléctricas são compostas por dois elementos: um cátodo e um ânodo. O invólucro é preenchido com um líquido ou gel, que serve tanto de caixa como de reservatório. Este líquido, designado por eletrólito, tem atividade química. Especificamente, o eletrólito aceita electrões no cátodo e liberta-os no ânodo. O excesso de electrões cria uma carga negativa, enquanto o défice cria uma carga positiva.

Existem várias categorias de pilhas com base no tipo de eletrólito, ânodo e materiais do cátodo:

• As pilhas salinas, identificadas pela etiqueta R, utilizam cloreto de amónio como eletrólito. O cátodo é feito de zinco, enquanto o ânodo é feito de cálcio. Estas pilhas são as mais económicas, mas têm um desempenho limitado.
• As pilhas alcalinas, também conhecidas como pilhas LR, têm um eletrólito feito de hidróxido de sódio ou potássio, um cátodo feito de zinco e um ânodo feito de óxido de manganês. Embora tenham um desempenho médio, são muito melhores do que as pilhas de sal. As pilhas alcalinas têm a capacidade de gerar uma tensão de até 12 V, embora a norma 1.As pilhas de 5 V são normalmente utilizadas no quotidiano por conveniência.
• As pilhas de lítio, marcadas como pilhas CR, são conhecidas pela sua capacidade de produzir uma corrente estável sob várias cargas. São utilizadas principalmente na eletrónica de precisão.
• As baterias de prata, marcadas como baterias SR, têm um ânodo de zinco e um cátodo de prata. Caracterizam-se por uma elevada capacidade e uma vida útil significativa. Estas pilhas são normalmente utilizadas em equipamentos dispendiosos, como relógios de pulso de alta qualidade.

Apesar de serem fabricadas, as pilhas de mercúrio não são muito utilizadas em electrodomésticos devido à toxicidade do metal líquido. A sua principal aplicação é em dispositivos especializados concebidos para funcionar em ambientes de baixa temperatura.

Estrutura das pilhas

Este tipo de pilha contém os componentes ilustrados no diagrama abaixo, localizados na superfície externa do invólucro.

Uma bateria de ácido (ABB) tem uma disposição que inclui uma caixa de plástico hermeticamente fechada com uma tampa e dois terminais na parte superior. Estes terminais, normalmente em forma de cone, são utilizados para ligar ao circuito elétrico do automóvel e estão identificados com marcas de polaridade:"+" e"-". Uma dica importante é garantir que o terminal positivo tenha um diâmetro ligeiramente maior do que o terminal negativo para evitar erros de conexão.

As baterias em bom estado de conservação possuem bocais de enchimento na parte superior de cada banco, permitindo um controlo fácil do nível de eletrólito ou a opção de reabastecimento com água destilada durante o funcionamento. Estes gargalos de enchimento estão equipados com tampões de rosca para proteger as câmaras internas da bateria de contaminantes e para evitar o derrame de eletrólito quando a bateria está inclinada.

Para evitar a rápida libertação de gases do eletrólito, que pode ocorrer durante uma condução intensa, os tampões são concebidos com orifícios para aliviar a pressão no interior do recipiente. Estes orifícios permitem a saída do oxigénio, do hidrogénio e dos vapores do eletrólito. É preferível evitar correntes de carga excessivas que podem resultar em tais situações.

O diagrama acima ilustra a forma como as células estão ligadas dentro dos recipientes e a disposição das placas dos eléctrodos.

As baterias de chumbo-ácido para automóveis de arranque funcionam segundo o princípio da dupla sulfatação. Este processo eletroquímico ocorre durante a descarga/carga, levando a uma alteração da composição química da massa ativa do elétrodo e à libertação ou absorção de água no eletrólito (ácido sulfúrico).

Graças a este fenómeno, é possível compreender a alteração da gravidade específica do eletrólito quando este é carregado ou descarregado. Em termos mais simples, a medição da densidade fornece informações valiosas sobre o estado elétrico da bateria. Para o determinar, é utilizado um hidrómetro de automóvel.

Nas baterias ácidas, o eletrólito é constituído por água destilada. A temperaturas extremamente baixas, solidifica e transforma-se em gelo. Consequentemente, para proteger as baterias dos automóveis contra o congelamento durante o tempo frio, é crucial implementar as precauções específicas descritas nas directrizes operacionais.

O princípio de funcionamento da bateria

Como funciona uma bateria

As partículas carregadas positivamente movem-se em direção às partículas carregadas negativamente, com o movimento a ocorrer num meio eletrolítico. As partículas carregadas formam-se como resultado da interação entre diferentes substâncias. O princípio fundamental do funcionamento da pilha pode ser resumido a uma reação química.

O dispositivo necessita de uma carga, como uma lâmpada ou um díodo, para evitar que ocorra um curto-circuito quando o "positivo" e "negativo" Os terminais entram em contacto.

Durante o funcionamento da bateria, os ânodos sofrem oxidação e deterioração. Eventualmente, a bateria perde a carga e tem de ser substituída. As tentativas de o restaurar serão inúteis, pois as alterações que ocorrem na bateria são irreversíveis.

A tentativa de carregar o modelo provoca uma explosão ou uma fuga. No entanto, através da experimentação, os cientistas desenvolveram com sucesso uma bateria recarregável conhecida como acumulador.

O que está dentro de uma bateria?

Os componentes internos das baterias dos telemóveis estão situados no interior da caixa. Pode examinar a sua construção e operações fundamentais. Juntamente com um recipiente que contém iões de lítio e uma barreira, o modelo está equipado com um regulador.

O regulador actua como o "cérebro" A bateria do telemóvel é composta pelos seguintes elementos:

1. Resistências (no circuito de alimentação, para proteção).
2. Termorresistência.
3. Transístores MOSFET.
4. Microcircuito.
5. Condensador de acumulação.

O regulador desempenha as seguintes funções:

1. Regulação da carga. As baterias dos telemóveis carregam de forma gradual. Os 10% iniciais são carregados a um ritmo baixo, depois acelera-se para 80% e a fase final envolve uma carga mais lenta. Apenas a "parte intermédia" A bateria é carregada a um ritmo elevado, o que reduz a carga.
2. Proteção contra sobrecarga. Quando a tensão atinge 4.2V, a fonte de alimentação é automaticamente interrompida para evitar sobrecarga.
3. Proteção contra a descarga. Um nível mínimo de tensão de aproximadamente 2.O 9V está definido para garantir que, mesmo quando a percentagem da bateria desce para 0 e o telemóvel é desligado, ainda existe uma pequena reserva de energia na bateria. Isto evita a perda de capacidade útil.
4. Limitação de corrente. As flutuações de tensão e os curto-circuitos podem causar danos na bateria e reduzir a sua vida útil. O limitador de corrente evita esta situação, regulando o fluxo de corrente.
5. Equilíbrio da pilha. Trata-se de uma conceção que inclui elementos electrónicos sequenciais para assegurar que as diferentes partes da bateria são carregadas uniformemente. A longevidade da bateria depende da eficácia desta função.
6. Gestão da temperatura. Cada bateria vem equipada com um termistor que monitoriza e regula os níveis de temperatura. Esta funcionalidade avançada garante a proteção do dispositivo contra um eventual sobreaquecimento ou arrefecimento excessivo.

O que é uma bateria

Uma bateria é um dispositivo que armazena energia para utilização posterior. Ao contrário de um condensador, que liberta a carga armazenada instantaneamente, uma pilha liberta a energia armazenada gradualmente durante um longo período de tempo. Quando uma bateria está carregada, converte energia eléctrica em energia de reação química. Quando está sob carga, converte a energia química armazenada em energia eléctrica.

A bateria funciona com base no princípio fundamental de que ocorre uma reação química contínua entre o líquido eletrolítico e os eléctrodos da placa metálica. As baterias individuais têm uma potência limitada e são incapazes de produzir corrente suficiente para alimentar a maioria dos dispositivos. Por isso, são frequentemente combinadas para formar pilhas recarregáveis, que utilizam uma configuração em série ou em paralelo de várias pilhas.

A história da pilha comum

O termo "pilha" foi incorporada na língua russa, tendo origem na palavra francesa "batterie".

Este nome foi utilizado pela primeira vez para descrever baterias de artilharia, que eram historicamente o tipo mais antigo de bateria. Mais tarde, o termo foi alargado para se referir ao agrupamento de objectos semelhantes num sentido geral.

O início oficial da pilha remonta a 1800, quando o físico italiano Alessandro Volta criou um dispositivo conhecido como "pólo de volt" A célula galvânica primária foi criada com base nas experiências efectuadas pelo médico e anatomista italiano Luigi Galvani. Volta construiu uma pilha de placas de zinco, cobre e feltro embebidas numa solução de ácido sulfúrico, formando uma pilha com meio metro de altura. Quando Volta tocou nas extremidades da pilha com as mãos, sentiu um choque elétrico muito sensível, marcando o início da era eléctrica.

A descoberta feita por Alessandro Volta causou uma grande sensação na sociedade, levando-o a ser alvo de honras e prémios. Como resultado do seu trabalho inovador, a unidade de tensão eléctrica foi baptizada com o seu nome. Luigi Galvani também ganhou reconhecimento pelas suas contribuições neste domínio. De facto, a célula galvânica, que foi inventada por Volta, recebeu o nome de Galvani, como forma de homenagear o seu envolvimento.

As células galvânicas podem ser classificadas em dois tipos principais – primárias e secundárias.

As células galvânicas primárias são aquilo a que normalmente chamamos baterias.

Por outro lado, as células galvânicas secundárias são concebidas para converter a energia eléctrica de uma fonte externa em energia química, que é depois armazenada. Esta energia armazenada pode ser posteriormente convertida em energia eléctrica, se necessário. Estas células secundárias, geralmente designadas por acumuladores, têm este objetivo.

Um dos primeiros exemplos de uma célula galvânica que podia ser utilizada fora dos laboratórios foi desenvolvido por Georges Leclanchet em 1866.

A conceção da célula de Leclanchet é simples – consiste num ânodo de zinco e num cátodo de dióxido de manganês combinados com carbono, colocados num eletrólito composto por cloreto de amónio ou, por outras palavras, sal de amónio.

Com o tempo, a célula de Leclanché sofreu modificações: O ânodo de zinco foi transformado numa forma de taça de zinco, onde se encontra um cátodo composto por uma mistura de dióxido de manganésio e grafite. No centro do cátodo encontra-se uma barra de carbono, que actua como coletor de corrente. O cátodo é rodeado por um eletrólito composto por cloreto de amónio, com adição de cloreto de zinco. No entanto, em contraste com a forma líquida utilizada na conceção original de Leclanchet, este eletrólito é engrossado até um estado gelatinoso através da incorporação de amido e farinha. Esta alteração serve para evitar fugas ou a secura do eletrólito durante o armazenamento e o funcionamento da célula.

As pilhas com eletrólito espessado são designadas por "pilhas secas".

Um dos avanços foi a introdução das pilhas alcalinas. As pilhas alcalinas foram inicialmente desenvolvidas pela Eveready (atualmente Energizer) em 1959. O princípio do seu funcionamento é muito semelhante ao de uma pilha salina – o ânodo é composto por zinco, o cátodo é composto por dióxido de manganês, sendo a única diferença a composição do eletrólito. Em vez do sal de amónio utilizado nas pilhas salinas, as pilhas alcalinas utilizam uma solução alcalina, normalmente hidróxido de potássio. No interior de uma pilha alcalina, o ânodo tem a forma de uma pasta de pó de zinco misturada com o eletrólito, enquanto o cátodo é constituído por uma mistura de dióxido de manganês e grafite.

O ânodo e o cátodo são divididos por um separador fino que é infundido com eletrólito, e todo o conjunto é encerrado num invólucro de aço. Acontece que, numa célula salina, o elétrodo negativo (-) serve de corpo, enquanto o elétrodo positivo (+) actua como coletor central de corrente. Por outro lado, numa pilha alcalina, o elétrodo positivo (+) funciona como corpo e o elétrodo negativo (-) como coletor central de corrente.

Este modelo particular serve um objetivo específico. Numa célula salina, a reação química esgota todos os componentes envolvidos – o ânodo, o cátodo e o eletrólito. No entanto, numa pilha alcalina, apenas o ânodo e o cátodo são consumidos na reação química, enquanto o eletrólito não é afetado. Como resultado, há uma quantidade mínima de eletrólito numa pilha alcalina, permitindo a inclusão de uma maior quantidade de ânodo e cátodo, aumentando assim a capacidade eléctrica da pilha alcalina.

O fator de forma das células galvânicas convencionais.

Reciclagem de pilhas na Rússia

Nos últimos anos, o mercado de pilhas na Rússia registou um crescimento flutuante. De acordo com os analistas do Discovery Research Group, as vendas diminuíram 1% em 2015 e quase 25% em 2016. No entanto, em 2017, foram vendidas 816 milhões de pilhas no país, com um preço médio unitário de 43.2 rublos. Isto resultou em vendas superiores a 35 mil milhões de rublos. Embora os especialistas não tenham especificado a percentagem de pilhas que são recicladas, a partir de 2026, a fábrica de reciclagem de Vladimir Matsyuk, denominada Megapolisresurs, tem capacidade para reciclar todo o volume de pilhas recolhidas.

Vladimir Matsyuk, proprietário e diretor executivo da Megapolisresurs, teve a ideia de criar uma empresa de reciclagem de pilhas durante a sua investigação. De facto, a sua tese de doutoramento incluía um capítulo dedicado à reciclagem de formas raras de resíduos. A primeira linha de produção da Megapolisresurs foi especificamente concebida para a eliminação de líquido de fixação de reveladores fotográficos. Este líquido contém uma quantidade significativa de prata, com cada litro de resíduos a produzir até 4 gramas do valioso metal.

Com o passar do tempo, o negócio deixou de ser rentável devido à crescente popularidade da fotografia digital, o que levou a um novo perfil das instalações da fábrica para a reciclagem de equipamento de escritório e outros produtos electrónicos. Esta nova direção envolveu a extração de metais como o ouro, a prata e o cobre das placas de circuitos impressos.

Em 2012, Matsyuk aventurou-se na reciclagem de baterias. Durante uma apresentação num fórum em Chelyabinsk, foi abordado por activistas que colocaram a questão "Pode reciclar pilhas??" O produtor recebeu imediatamente 100 quilos de "matérias-primas"." A reciclagem de pilhas revelou-se relativamente simples, envolvendo duas fases – trituração do invólucro metálico e seleção de sais de metais não ferrosos, que podem ser utilizados para criar novas pilhas.

Matsyuk estabeleceu rapidamente o processo de produção e começou a fazer experiências activas com materiais fornecidos por vários indivíduos e organizações. Durante este período, com a crescente popularidade de hábitos de consumo amigos do ambiente entre a população, as grandes cadeias de distribuição iniciaram a recolha selectiva de pilhas. Numa questão de meses, tanto a IKEA como a MediaMarkt contactaram a Megapolisresource, manifestando a sua vontade de recolher e transportar lotes de pilhas para as instalações. Pouco tempo depois, "Vkusvill" juntaram-se às suas fileiras. Além disso, a Duracell, um famoso fabricante mundial de pilhas, tornou-se um dos parceiros da fábrica. Em dezembro de 2017, a unidade inaugurou uma nova linha de produção dedicada exclusivamente às pilhas. Pouco mudou em termos de tecnologia de fabrico, mas as baterias passaram a ser recicladas nos intervalos entre a eliminação de equipamentos electrónicos.

A reciclagem de baterias na Rússia ainda está a dar os primeiros passos, como demonstrado pelo domínio da "Megapolisresource": simplesmente não há volumes suficientes de baterias a serem recolhidas para utilizar plenamente as capacidades de outras instalações de reciclagem, afirmou Matsyuk numa entrevista à RBC. De acordo com a SPARK, as receitas da fábrica ultrapassaram os 7 milhões de rublos em 2026, mas também registou um prejuízo de 1.5 milhões de rublos.

O que é uma pilha de chumbo-ácido

A pilha de chumbo-ácido é um tipo de fonte de energia química que funciona através da reação entre o chumbo e o ácido sulfúrico. Foi criada por Gaston Plante e introduzida pela primeira vez em 1859-1860. Em 1878, Camille Faure, outro inventor, melhorou o design da pilha, utilizando chumbo farinhento, um pó vermelho-alaranjado que é um ortoplumbato de chumbo, nas placas. Por volta da mesma altura, Nikolai Nikolaevich Benardos, um engenheiro e inventor russo, revestiu as placas da bateria com chumbo esponjoso, o que resultou num aumento da capacidade.

Para compreender o processo que ocorre na bateria durante o seu funcionamento, é importante examinar a sua estrutura em pormenor. A construção de uma bateria de ácido moderna inclui os seguintes componentes:

• Uma caixa durável feita de material resistente a ácidos
• Uma solução electrolítica constituída por ácido sulfúrico dissolvido em água destilada
• Placas de chumbo anódicas (positivas) com pó de dióxido de chumbo prensado
• Placas catódicas (negativas) de chumbo com chumbo esponjoso
• Separadores feitos de material poroso não ácido, que separam as placas positivas e negativas e evitam curto-circuitos
• Uma tampa (normalmente encontrada em baterias portáteis) que é selada com mástique para uma embalagem hermética
• Barras que ligam placas do mesmo tipo e servem de condutores de corrente
• Reparação e ligação de componentes.

O princípio de funcionamento de uma bateria de chumbo-ácido é o seguinte. O eletrólito contém eléctrodos positivos e negativos, e quando um circuito externo é ligado a uma fonte de corrente, ocorrem reacções químicas entre o óxido de chumbo e o ácido sulfúrico. Durante a descarga da bateria, o ânodo oxida o chumbo enquanto o cátodo reduz o dióxido de chumbo. Além disso, à medida que a carga da bateria se esgota, a densidade do eletrólito diminui devido ao consumo de ácido sulfúrico e à libertação de água. No entanto, durante o processo de carregamento, ocorrem reacções inversas.

Baterias ácidas
Classificação	Tipo
Por conceção do ânodo	– Superfície