Almost every portable and handheld device consists a battery. A bateria é um dispositivo de armazenamento onde a energia é armazenada para fornecer a energia sempre que necessário. Existem diferentes tipos de baterias disponíveis neste mundo eletrônico moderno, entre elas a bateria de chumbo-ácido é comumente usada para alimentação de alta energia. Normalmente as baterias de chumbo-ácido são maiores em tamanho com construção dura e pesada, podem armazenar uma grande quantidade de energia e geralmente usadas em automóveis e inversores.

Even, depois de competirem com as baterias de iões de lítio, a procura de baterias de chumbo-ácido está a aumentar de dia para dia, porque são mais baratas e fáceis de manusear em comparação com as baterias de iões de lítio. De acordo com algumas pesquisas de mercado, o mercado indiano de baterias de chumbo-ácido deverá crescer em CAGR mais de 9% durante 2018-24. Portanto, tem uma enorme demanda de mercado em Automação, Automotiva e Eletrônica de Consumo. Apesar da maioria dos veículos elétricos vem com baterias de íon-lítio, mas ainda há muitos veículos elétricos de duas rodas que usam baterias de chumbo ácido para alimentar o veículo.

No tutorial anterior aprendemos sobre baterias de íon-lítio, aqui vamos entender o funcionamento, construção e aplicações das baterias de chumbo ácido. Também aprenderemos sobre classificações de carga/descarga, requisitos e segurança de baterias de chumbo-ácido.

Construção de baterias de chumbo-ácido

O que é uma bateria de chumbo-ácido? Se quebrarmos o nome de Bateria de Chumbo Ácido, obteremos Chumbo, Ácido e Bateria. O chumbo é um elemento químico (símbolo é Pb e o número atómico é 82). É um elemento macio e maleável. Sabemos o que é Ácido; ele pode doar um próton ou aceitar um par de electrões quando está a reagir. Então, uma bateria, que consiste de chumbo e ácido prumo anidro (às vezes erroneamente chamado de peróxido de chumbo), é chamado de bateria de chumbo ácido.

Agora, qual é a construção interna?

Uma Bateria de Ácido Chumbo consiste nas seguintes coisas, podemos vê-la na imagem abaixo:

Uma Bateria de Ácido Chumbo consiste em Placas, Separador e Electrólito, Plástico Duro com um estojo de borracha dura.

Nas baterias, as placas são de dois tipos, positivo e negativo. A positiva consiste de dióxido de chumbo e a negativa consiste de chumbo esponja. Estas duas placas são separadas através de um separador que é um material isolante. Esta construção total é mantida numa caixa de plástico duro com um electrólito. O electrólito é água e ácido sulfúrico.

A caixa de plástico duro é de uma célula. Uma única célula armazena tipicamente 2.1V. Devido a esta razão, uma bateria de chumbo ácido de 12V consiste em 6 células e fornece 6 x 2,1V/Célula = 12,6V tipicamente.

Agora, qual é a capacidade de armazenamento de carga?

É altamente dependente do material activo (quantidade de electrólito) e do tamanho da placa. Você pode ter visto que a capacidade de armazenamento da bateria de lítio é descrita na classificação de mAh ou miliamp-hora, mas no caso da bateria de chumbo-ácido, é Amp hora. Descreveremos isto na secção posterior.

Trabalho da Bateria de Ácido Chumbo

Trabalho da Bateria de Ácido Chumbo é tudo sobre química e é muito interessante saber sobre isso. Há um enorme processo químico envolvido na condição de carga e descarga da bateria de chumbo-ácido. As moléculas diluídas de ácido sulfúrico H2SO4 quebram-se em duas partes quando o ácido se dissolve. Ele irá criar íons positivos 2H+ e íons negativos SO4-. Como dissemos antes, dois eletrodos são conectados como placas, Ânodo e Cátodo. O ânodo captura os íons negativos e o cátodo atrai os íons positivos. Esta ligação em ânodo e SO4- e cátodo com elétrons de troca 2H+ e que é mais uma reação com o H2O ou com a água (ácido sulfúrico diluído, ácido sulfúrico + água).

A bateria tem dois estados de reação química, Carga e Descarga.

Carga da bateria de ácido de chumbo

Como sabemos, para carregar uma bateria, precisamos fornecer uma tensão maior do que a tensão terminal. Assim, para carregar uma bateria de 12,6V, 13V pode ser aplicado.

Mas o que realmente acontece quando carregamos uma bateria de chumbo ácido?

Bem, as mesmas reacções químicas que descrevemos anteriormente. Especificamente, quando a bateria é conectada com o carregador, as moléculas de ácido sulfúrico quebram-se em dois íons, íons positivos 2H+ e íons negativos SO4-. Os elétrons de troca de hidrogênio com o cátodo e se tornam hidrogênio, este hidrogênio reage com o PbSO4 no cátodo e forma ácido sulfúrico (H2SO4) e chumbo (Pb). Por outro lado, os electrões SO4- trocam com o ânodo e transformam-se em SO4 radical. Este SO4 reage com o PbSO4 do ânodo e cria o peróxido de chumbo PbO2 e ácido sulfúrico (H2SO4). A energia é armazenada aumentando a gravidade do ácido sulfúrico e aumentando a tensão potencial da célula.

Como explicado acima, as reacções químicas seguintes ocorrem no Ânodo e no Cátodo durante o processo de carga.

No cátodo

PbSO4 + 2e- => Pb + SO42-

No ânodo

PbSO4 + 2H2O => PbO2 + SO42- + 4H- + 2e-

Combinando acima de duas equações, a reação química global será

2PbSO4 + 2H2O => PbO2 + Pb + 2H2SO4 

Existem vários métodos aplicáveis para carregar a bateria de chumbo-ácido. Cada método pode ser usado para baterias de chumbo-ácido específicas para aplicações específicas. Algumas aplicações utilizam um método de carga de voltagem constante, outras aplicações utilizam um método de corrente constante, enquanto a carga por cócegas também é útil em alguns casos. Normalmente o fabricante da bateria fornece o método adequado para carregar as baterias de chumbo-ácido específicas. O carregamento com corrente constante não é tipicamente usado no carregamento de baterias de chumbo-ácido.

O método de carregamento mais comum usado em baterias de chumbo-ácido é o método de carregamento com tensão constante, que é um processo eficaz em termos de tempo de carregamento. No ciclo completo de carga, a tensão de carga permanece constante e a corrente diminui gradualmente com o aumento do nível de carga da bateria.

Descarga da bateria de chumbo-ácido

Descarga de uma bateria de chumbo-ácido está novamente envolvida em reacções químicas. O ácido sulfúrico está na forma diluída com uma proporção típica de 3:1 com água e ácido sulfúrico. Quando as cargas são conectadas através das placas, o ácido sulfúrico quebra novamente em íons positivos 2H+ e íons negativos SO4. Os iões de hidrogénio reagem com o PbO2 e fazem PbO e água H2O. PbO começa a reagir com o H2SO4 e cria PbSO4 e H2O.

No outro lado SO4- iões trocam electrões de Pb, criando o radical SO4 que cria ainda mais PbSO4 a reagir com o Pb.

Como explicado acima, as reacções químicas seguintes ocorrem no Anodo e no Cátodo durante o processo de descarga. Estas reacções são exactamente opostas às reacções de carga:

No cátodo

Pb + SO42- => PbSO4 + 2e-

No ânodo:

PbO2 + SO42- + 4H- + 2e- => PbSO4 + 2H2O

Combinando acima de duas equações, a reacção química global será

PbO2 + Pb + 2H2SO4 => 2PbSO4 + 2H2O

Devido à troca de electrões através do ânodo e cátodo, o balanço dos electrões através das placas é afectado. Os elétrons então fluem através da carga e a bateria é descarregada.

Durante esta descarga, a gravidade do ácido sulfúrico diluído diminui. Também, ao mesmo tempo, a diferença de potencial da diminuição da célula.

Fator de Risco e Classificação Elétrica

A bateria de ácido chumbo é prejudicial se não for mantida com segurança. Como a bateria gera gás hidrogênio durante o processo químico, ela é altamente perigosa se não for usada na área ventilada. Além disso, a carga imprecisa danifica seriamente a bateria.

Quais são as classificações padrão da bateria de chumbo-ácido?

Todas as baterias de chumbo-ácido são fornecidas com folha de dados para corrente de carga padrão e corrente de descarga. Tipicamente uma bateria de chumbo-ácido de 12V que é aplicável para a aplicação automotiva pode variar de 100Ah a 350Ah. Esta classificação é definida como a classificação de descarga com um período de 8 horas.

Por exemplo, uma bateria de 160Ah poderia fornecer 20A de corrente de alimentação para a carga durante 8 horas do intervalo. Podemos tirar mais corrente, mas não é aconselhável fazê-lo. Ao extrair mais corrente do que a corrente de descarga máxima em relação às 8 horas, danificará a eficiência da bateria e a resistência interna da bateria também poderá ser alterada, o que aumenta ainda mais a temperatura da bateria.

Por outro lado, durante a fase de carga, devemos ter cuidado com a polaridade do carregador, este deve ser ligado correctamente com a polaridade da bateria. A inversão de polaridade é perigosa para a carga da bateria de chumbo-ácido. O carregador pronto a carregar vem com uma voltagem de carga e medidor de corrente de carga com uma opção de controle. Devemos fornecer uma tensão maior do que a tensão da bateria para carregar a bateria. A corrente máxima de carga deve ser a mesma que a corrente máxima de alimentação com taxas de descarga de 8 horas. Se tomarmos o mesmo exemplo 12V 160Ah, então a corrente máxima de alimentação é 20A, então a corrente máxima segura de carga é a 20A.

Não devemos aumentar ou fornecer uma grande corrente de carga, pois isso resultará em calor e maior geração de gás.

Regras de manutenção de baterias de chumbo-ácido

1. A rega é a característica de manutenção mais negligenciada das baterias de chumbo-ácido inundadas. Como a sobrecarga diminui a água, precisamos verificá-la com frequência. Menos água cria oxidação nas placas e diminui o tempo de vida útil da bateria. Adicione água destilada ou ionizada quando necessário.
2. Cheque para os respiradouros, eles precisam ser aperfeiçoados com tampas de borracha, muitas vezes as tampas de borracha ficam com os furos muito apertados.
3. Recarregue as baterias de chumbo-ácido após cada utilização. Um longo período sem recarga proporciona sulfatação nas placas.
4. Não congele a bateria ou carregue-a mais de 49 graus centígrados. Em ambientes frios, as baterias precisam ser totalmente carregadas, pois são mais seguras do que as baterias vazias em relação ao congelamento.
5. Não descarregar a bateria a menos de 1,7V por célula.
6. Para armazenar uma bateria de chumbo-ácido, ela precisa ser completamente carregada e o eletrólito precisa ser drenado. Então a bateria ficará seca e pode ser armazenada por um longo período de tempo.