Células (Pilhas/ Baterias) Comerciais

Apresentação em tema: "Células (Pilhas/ Baterias) Comerciais"— Transcrição da apresentação:

1 Células (Pilhas/ Baterias) Comerciais
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. Células Primárias: 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 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.

2 PILHAS/BATERIAS PRIMÁRIAS
1. Pilhas de Leclanché (pilhas secas) A – Vedante, em material isolante B – 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  Zn e- Reacção Catódica: Mn4+ + e-  Mn3+ (reacção verdadeira: 2 MnO2 + 2H+ + 2e-  Mn2O3 + H2O) f.e.m.=1.5 V                                                             E = V Zn2+/Zn0 E = V MnO2/Mn3+ 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.

3 2. Pilhas Alcalinas Ânodo: Aço em contacto com pó de Zinco Cátodo: Aço em contacto com pó de MnO2 e grafite Electrólito: solução aquosa de KOH invólucro em aço, revestido a Níquel (contacto do cátodo) 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 plástico protector, isolante cátodo: pó de grafite + MnO2 em água e KOH separador em tecido ânodo: Zinco em pó colector do ânodo (revestido a Sn) selante em plástico separador fundo metálico 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

4 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. Reacção Anódica: Li(s)—> Li+ + e- E = V Li+/Li0 Reacção Catódica: 2 MnO2 + H2O + 2 e- —>Mn2O3 + 2 OH- E = V MnO2/Mn3+ f.e.m. = 3 V Aplicações: “pace-makers”, todas as das pilhas alcalinas Vantagens: elevada f.e.m. Desvantagens: demasiada reactividade do Li pode levar a inflamações

5 PILHAS/BATERIAS SECUNDÁRIAS
1. Pilhas Ácidas de Chumbo 6 células ligadas em série, cada uma tendo uma f.e.m. de ~2 V, dando um total de 12 V Ânodo: Chumbo metálico esponjoso Cátodo: Dióxido de chumbo (PbO2) Electrólito: Solução aquosa (~6 M) de H2SO4 Durante a descarga: Reacção Anódica: E = V PbSO4/Pb0 Reacção Catódica: E = V PbO2/Pb2+ Reacção Global:

6 1. Pilhas Ácidas de Chumbo – Cont.
Durante a carga: Aplicações: motores de automóveis, equipamento de construção, barcos de recreio, sistemas de backup. Representam mais de metade das baterias comerciais. Vantagens: W h/kg 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).

7 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 V E = V Cd2+/Cd0 E = V NiOOH/Ni(OH)2 Aplicações: Calculadoras, câmaras digitais, lap tops, desfibriladores, veículos eléctricos Vantagens: W h/kg 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. Desvantagens: o Cd é tóxico. Reciclar.

8 As Baterias dos Carros Híbridos de Hoje
3. Níquel – Hidreto Metálico (NiMH) 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 Reacção Catódica: NiOOH(s) + H2O(l) + e‐ → Ni(OH)2(s) + OH‐(aq) (Oxihidróxido de Níquel) Reacção Anódica: MH(s) + OH‐(aq) → M(s) + H2O(l) + e‐ 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. (Hidreto metálico) Reacção Global: MH(s) + NiOOH(s) → M(s) + Ni(OH)2(s)

9 Níquel – Hidreto Metálico (NiMH)
Toyota Prius Localização: atrás do banco traseiro Constituição: 1ª geração : 38 módulos prismáticos de NiMH Panasonic Cada módulo contém 6 células de 1.2 V ligadas em série (228 células) 2ª geração : 28 módulos prismáticos de NiMH Panasonic Cada módulo contém 6 células de 1.2 V ligadas em série (168 células) Voltagem nominal: V Peso: 53.3 kg Potência 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.

10 Níquel – Hidreto Metálico (NiMH)
Toyota Highlander e Lexus RX 400h Localização: por baixo dos bancos traseiros Constituição: 240 células Voltagem nominal: 288 V convertidos pelo boost em 500 V Cada 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.

11 Níquel – Hidreto Metálico (NiMH)
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.

12 Níquel – Hidreto Metálico (NiMH)
Honda Insight Localização: Por baixo da bagageira, junto da unidade de controlo integrada Constituição: 120 células NiMH Panasonic, com 1.2 V cada. Voltagem nominal: 144 V Tem capacidade para descarga de 100 A , 50 A em carga.

13 Saturn Vue Green Line (GM)
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 V Capaz de fornecer 14.5 kW de potência em pico Potência de 12 V para acessórios e potência para carregar a bateria

14 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.

15 (compostos de intercalação)
4. Pilhas de Ião Litio Ânodo: grafite com Li intercalado Dióxido de Cobalto: Li1-xCoO2 LixC V Parâmetro crítico: a velocidade à qual o cátodo pode absorver e emitir iões Li+ livres Cátodo: (compostos de intercalação) Níquel-Cobalto-Manganês (NCM): LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2 Níquel-Cobalto-Alumiíio (NCA): LiNi0.8Co0.2−xAlxO2 Óxido de Manganês (MnO): LiMn2O4 - 4 V Fosfato de Ferro (FePo): LiFePO V Cátodo: Li1-xCoO2 Ânodo: LixC6 Electrólito condutor de iões Li+ CARGA DESCARGA Reacção Anódica: LixC6(s) → x Li+(sol) + 6 C(s) + xe‐ (oxidação do C) Reacção Catódica: Li1‐xCoO2(s) + x Li+(sol) + xe‐ → LiCoO2(s) (redução do Co) Reacção Global: LixC6(s) + Li1‐xCoO2(s) → 6 C(s) + LiCoO2(s) Aplicações: portáteis, telemóveis, veículos eléctricos. Vantagens: voltagem elevada , descarga lenta W h/kg ciclos. Desvantagens: Perigo de produzir Li metálico em caso de curto-circuito. Reciclar.

16

17 Reacção Global: 2 H2(g) + O2(g)  H2O(l) f.e.m= 1.23 V
Pilhas de Combustível Convertem a energia química (de combustão) directamente em energia eléctrica 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.

18 Ver na membrana as várias hipóteses incluindo polímeros, sais inorgânicos fundidos e electrólitos

19 Alkali fuel cells Molten Carbonate fuel cells (MCFC) Phosphoric Acid fuel cells (PAFC Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells work with a polymer electrolyte in the form of a thin, permeable sheet. Solid Oxide fuel cells (SOFC)

20

21 membrana condutora de protões
Células Directas de Combustível de Metanol O2 /ar H2O /ar eléctrodos porosos membrana condutora de protões 200 mW/cm2 0.5 V (4-5 bar O2) 140 oC Liberta CO2 CO envenena o catalisador de Pt Catalisadores de Pt-Ru apresentam melhor performance