Neste capítulo trataremos de explicar o funcionamento das baterias de Chumbo-Ácido, que encontram grande aplicabilidade na área automobilística e também em aplicações domésticas.
Normalmente a bateria Chumbo-Ácido é a mais utilizada no setor automotivo e em muitas aplicações estacionárias, pois economicamente é a mais viável (menor custo Wh) se comparado as baterias de Níquel-Cádmio, por exemplo, apesar de estas possuírem características melhores como vida útil e densidade energética. A tabela abaixo mostra o comparativo entre esses dois tipos de baterias.
Tabela 1 - Comparação entre baterias Pb-Ácido e Ni-Cd
Em termos de toxidade e poluição tanto faz, afinal, Chumbo, Ácido Sulfúrico e Cádmio competem no fator "quem polui mais?".
Vamos começar dissertando sobre o três elementos principais que compõem as pilhas de Pb-Ácido!
Eletrodos
O polo negativo (ânodo, sofre redução por perder elétrons e é o agente oxidante) é composto por um eletrodo de liga de Chumbo poroso, também refererido como “esponjoso”. Já o polo positivo (cátodo, sofre oxidação pois ganha elétrons e é o agente redutor) é composto por um eletrodo oxidado, isto é, com Dióxido de Chumbo.
CURIOSIDADE: Antigamente o Chumbo era bastante utilizado na indústria eletrônica para reduzir o ponto de fusão e aumentar a maleabilidade de ligas de Estanho nas soldas de componentes eletrônicos, todavia, dada sua fama (e com razão) de ser altamente poluente e tóxico, aos poucos teve de ser substituído (sem tanto êxito) por ligas de Estanho Lead Free, que contemplam Prata e Cobre em sua composição. A partir daí começou a era das trincas em soldas de chips com invólucros BGA... Mas o que o Ser Humano não faz pra cuidar do planeta, né?
Perceba que eu escrevi “liga de Chumbo”, isto pois este perigoso elemento químico puro é bastante maleável, o que dificulta o processo produtivo (apesar de que a eficiência seria maior se assim fosse), portanto, é necessário se criar uma liga misturando outros elementos, tais como Antimônio e Cálcio para melhorar as propriedades mecânicas e a processabilidade do material (além de outros fatores que serão descritos adiante). Você verá que outros materiais também são adicionados nas massas ativas dos eletrodos ao longo deste texto.
Por exemplo, a Tudor produz grades com liga de Chumbo-Cálcio-Estanho, resultando em menor consumo da água (eletrólise) do eletrólito e maior resistência à corrosão.
Folder 1 - Observe os trechos destacados
Tal qual numa pilha de Zinco-Manganês, o polo positivo é uma massa de Óxido e aditivos bastante porosa, permitindo-se ficar 'encharcada' com o eletrólito, e neste tipo de acumulador ocorre o mesmo com o ânodo. Só que há um porém: diferente de uma bateria CR2032, onde a massa é compactada e está inserida no invólucro sem espaços sobrando, uma bateria de Pb-Ácido possui um espaço interno bastante maior e um conjunto de eletrodos muito grande, sendo bem mais sucetível à danos nestas partes tão frágeis.
Imagem 1 - Bateria de Chumbo-Ácido da Moura. Créditos: Manual do Mundo
Para solucionar isso, os eletrodos usam grades metálicas também compostas de Chumbo, e que servem como coletores de corrente!
Diagrama 1 - Como são as grades, material ativo e o envelope separador
Pois bem, para formar um conjunto de eletrodos é necessário duas grades, onde são aplicadas as massas ativas (bem como papéis de empaste e aditivos), e um separador poroso isolante elétrico entre eles.
Separador
Este material isolante pode ser composto por plástico, tal como Polietileno (PE)...
Folder 2 - Quadro destacando as tecnologias utilizadas em baterias Tudor. O separador é como um envelope que envolve o eletrodo negativo (Diagrama 1)
Imagine que estas chapas de Polietileno são como o forro da tampa do maleiro de alguns caminhões da Scania mais novos:
Imagem 2 - Forração de cabine feita com espuma de Polietileno
Obviamente, as chapas de PE aplicadas como separador de eletrodos em acumuladores são microporosas e bem mais densas que este simples forro de cabine, pois sua função, além de manter-se impregnado de eletrólito é assegurar isolamento entre polo positivo e negativo impedindo um curto-circuito, bem como ajudar na retenção de todos os componentes internos da bateria, impedindo movimentação dos mesmos com a vibração.
...ou então ser um feltro, isto é, uma manta de fibras, e neste caso, fibras de vidro. Baterias com manta de fibra de vidro levam o nome de "Absorbent Glass Material" e são mais conhecidas como "AGM".
CURIOSIDADE: Se quiser se aprofundar mais em tecidos-não-tecidos, feltros, fibras sintéticas, artificiais e naturais, recomendo que CLIQUE AQUI e CLIQUE AQUI!
Quando o separador é um feltro de fibras, o eletrólito é absorvido por ele, permanecendo 'encharcado' e oferecendo menos riscos quanto à vazamentos.
Eletrólito
Também chamado de ponte salina, tem a finalidade de manter o cátodo e ânodo eletricamente neutros através da migração de íons. Se trata de um líquido condutor composto por água desmineralizada misturada com Ácido Sulfúrico, tendo o pH 0.
CURIOSIDSADE: A densidade do Ácido Sulfúrico ajuda a identificar se a bateria está decarregada. Sendo sua densidade 1,28g/cm², se este valor estiver abaixo de 1,20 g/cm², significa que o ácido foi consumido, isto é, se transformou em Sulfato de Chumbo e está aderido aos eletrodos e o acumulador está descarregado.
Tabela 2 - A densidade do eletrólito dita se a bateria está carregada ou descarregada
Caso queira saber a densidade do eletrólito de uma forma mais rudimentar, isto é, uma estimativa aproximada, você pode usar a seguinte fórmula matemática:
Onde:
-> D: Densidade, medida em g/cm²;
-> Tb: Tensão da bateria, em Volts;
-> Nc: Número de células, isto é, pilhas que compõem a bateria;
-> 0,84: Constante da fórmula.
O Ácido Sulfúrico é um líquido claro, incolor e inodoro que apresenta aspecto oleoso em condições normais de temperatura e pressão. É um potente ácido inorgânico, altamente corrosivo para compostos orgânicos e abrasivo para a maioria dos metais.
Na bateria de Chumbo, cerca de apenas 20% ~ 30% da solução líquida é ácido, o restante é água desmineralizada.
A água desmineralizada é o H2O puro, isto é, sem sais minerais e outros aditivos, tal qual Cloro e Flúor, que poderiam se juntar à reação deteriorando o corpo dos eletrodos.
Repare que o vidro ou o plástico são isolantes elétricos, mas aqui funcionam como “esponja” para reter e espalhar de maneira uniforme o líquido condutor nas faces dos eletrodos.
Repare também que o vidro possui sílica como um de seus componentes principais. No caso dos acumuladores, são chamadas de “baterias de gel” àquelas onde o eletrólito (também feito de água com ácido sulfúrico) é misturado com sílica porogênica, isto é, um pó espessante capaz de aumentar muito a viscosidade da solução líquida condutora, formando um composto um tanto pastoso. Você entenderá melhor até o final deste texto.
É desejável que a solução salina interna da bateria sempre esteja em movimento (o próprio “balanço” do automóvel agita o eletrólito) para melhorar o processo químico interno de 'carga' e 'descarga' e também para que o ácido (mais denso que a água destilada) não se deposite no fundo da célula, levando a um estágio de corrosão da parte inferior dos eletrodos, prejudicando assim o acúmulo de energia na bateria.
No caso das baterias estacionárias, as tecnologias atuais permitem uma homogeneidade mais duradoura da solução salina, já muitas delas ou utilizam mantas de vidro absorvente ou sílica porogênica como separador de eletrodos.
No frio, a dificuldade para dar partida nos veículos é maior, isto pois a densidade do elétrolito é menor, como vemos neste fragmento de um documento da Duracell referente à influência da temperatura nas baterias Pb-Ácido:
Complemento 1 - Influência da temperatura na condutividade do eletrólito
CURIOSIDADE: Assim como nos carros elétricos com bateria de Lítio, os sistemas Pb-Ácido também possuem um limite máximo de 60 °C de temperatura!
Isso se deve ao fato da temperatura mais baixa causar a redução da mobilidade dos portadores de carga da solução aquosa, o que se traduz num aumento da resistência interna e redução da capacidade da bateria.
Tabela 3 - Destacado em verde, perceba que a capacidade cai de acordo com a temperatura ambiente
A "Habilidade de Descarga" (Corrente de pico), que é a capacidade da bateria fornecer uma determinada corrente sem uma queda de tensão apreciável, que também pode ser definida como a corrente que o acumulador pode fornecer partindo dele completamente carregado até a queda de tensão, e tudo isso num regime de 'descarga' que pode ser de 5 segundos.
Note na tabela acima que durante 5 segundos a bateria consegue liberar uma corrente de até 13 Amperes sem problemas. Pois bem, isso é um prelúdio para entendermos o CCA das baterias automotivas.
Imagem 3 - Repare que o CCA foi medido seguindo a norma SAE
Já o CCA, sigla para "Cold Cranking Amp" - que traduzido para o Português resulta em "Corrente de Arranque a Frio" - indica, de acordo com a norma SAE j537 a corrente que a bateria pode fornecer durante cerca de 30 segundos até atingir uma tensão de corte de 7,2 Volts. Existem variações na medição deste valor, já que os fabricantes podem usar também a norma DIN, cuja diferença é a temperatura ambiente em que é feito o ensaio. O primeiro é medido a -18 °C enquanto que o segundo é medido a 25 °C.
Vídeo 1 - Observe a grande queda de tensão durante a ação do motor de arranque, que dura pouquímissimos segundos. Este ensaio foi feito com cerca de 20 °C de temperatura ambiente
Já o RC (Reserva de Capacidade), é o valor, em minutos, que uma bateria plenamente carregada consegue fornecer a um consumidor com uma potência de no mínimo 262,5 W. Este teste deve ser realizado com uma corrente constante de 25 A e uma tensão de corte de 10,5 V.
As baterias estacionárias conseguem ter uma RC muito maior, já que são feitas para alimentar circuitos por horas sem a necessidade de 'recarga'.
Enquanto a bateria automotiva ERBS ERFLB60D consegue fornecer 25 A por 90 minutos (e necessitar de 'recarga', já que caiu para cerca de 70 ~ 80% de sua capacidade), a estacionária Unipower UP1213 consegue formecer 0,065 Amperes durrante 20 horas (atingindo cerca de 20 ~ 30% da capacidade, necessitando de uma 'recarga').
OBSERVAÇÃO: Se acessar o canal do HC no DailyMotion, verás que há curtos vídeos destacando o monitoramento da corrente elétrica durante a partida a frio em alguns motores de combustão. Pois bem, é perceptível que em nenhum deles o limite do CCA da bateria é atingido, bem pelo contrário, valores baixímissimos de corrente foram notados. Mas, em breve, você terá acesso a um novo artigo, sobre motores DC, e nele algumas informações relevantes sobre o motor de partida e as condições que afetam seu funcionamento, exigindo maiores ou menores picos de corrente.
Perda de eletrólito
Um fator interessante que ocorre devido às perdas químicas internas da bateria quando esta não é utilizada é a autodescarga. Quando as baterias de Chumbo-Ácido não estão sendo utilizadas, podem perder de 5 a 30% de sua 'carga' por mês, dependendo da temperatura e composição química de suas células. Comparativamente, a faixa média de autodescarga das baterias de Níquel-Cádmio é de 3 a 6% ao mês.
Por outro lado, se houver uma sobrecarga na bateria, a corrente elétrica passa a ser consumida num processo da eletrólise da água, o que resulta na formação de bolhas de Hidrogênio e de Oxigênio.
CURIOSIDADE: A eletrólise da água ocorre quando passamos uma corrente contínua por ela - desde que a tornemos condutora, pois a água desmineralizada não conduz corrente elétrica. A decomposição ocorre quando efetuamos a quebra das ligações entre átomos de Hidrogênio e Oxigênio. Quando a molécula é decomposta na eletrólise, os átomos livres procuram reagir novamente para formar novas moléculas, inclusive se recombinar ao que formavam antes da reação.
Se houver um sobreaquecimento na bateria, parte da água destilada composta na solução líquida tende a evaporar (por calor), também deixando a solução mais pobre e ácida, levando a um processo de corrosão dos eletrodos, podendo a danificar para sempre. Ou seja, em ambos os casos parte do eletrólito é perdido, reduzindo o armazenamento de energia. É aqui que entra outro detalhe muito interessante!
Neste processo, o nível do eletrólito cai gradativamente em decorrência da eletrólise ou a simples evaporação, fazendo com que a bateria precise de manutenção. É aí que precisamos preenche-la com água desmineralizada.
Imagem 4 - Caminhão portando duas Baterias Chumbo-Ácido com manutenção. Perceba os tampões de compartimentos
Note na imagem acima que os tampões possuem um pequeno furo por onde saem os gases.
Muitas baterias com manutenção possuem uma sub-tampa:
Imagem 5 - Por debaixo da tampa alguns sistemas possuem uma sub-tampa
OBSERVAÇÃO: As baterias NÃO SELADAS – estacionárias ou não – NUNCA podem ficar em outra posição que não aquela para a qual foram projetadas, pois haverá vazamento de ácido e potencial risco ao equipamento e principalmente a usuários / operadores.
Um dos motivos que mitigaram a eletrólise da água foi o constante estudo para melhorar a composição das eletrodos. Em folders de diversas fabricantes você verá menções à ligas de Chumbo-Cálcio, Chumbo-Cálcio-Antimônio, Chumbo-Cálcio-Estanho, Chumbo-Cálcio-Prata ou outras "ligas especiais" de Chumbo que reduziram muito a perda de Óxido de Hidrogênio e tornaram viável as baterias sem manutenção, isto é, em que não há a necessidade de se repor a água periodicamente, tornando comum o termo "bateria selada".
Convenhamos: Se uma bateria é um gerador de Hidrogênio e Oxigênio, estamos diante de uma espécie de potencial cilíndro de gás. Ao ocorrer uma sobrecarga em que a geração de vapor for muito grande, um vaso prismático aguentaria até menos pressão que um vaso cilíndrico. Isso seria um perigo. Mas como eliminaram este problema?
As válvulas das baterias Pb-Ácido
Numa bateria selada os gases são condensados e recombinados, formando água novamente, que retorna para os compartimentos, isto é, para as pilhas. Tais baterias são conhecidas como "Chumbo-Ácido Reguladas por Válvula" (CARV) ou VRLA (Valve Regulated Lead-Acid).
Folder 3 - Baterias de carros e caminhões também podem ser VRLA
Se trata de uma tecnologia que permite não emitir gases durante a sua operação normal e pode ser transportada e usada em (quase) qualquer posição sem que haja risco de vazamento de seu eletrólito.
Imagem 6 - Uma bateria estacionária 12 V com tampões porosos nos compartimentos
Neste sistema há uma câmara de recombinação (também chamada de "câmara de condesação" ou "labirinto") com respiro ou um simples tampão poroso, pois caso haja uma grande sobrecarga e a geração de gases for exacerbada, para que não ocorra uma explosão parte dos vapores são liberados na atmosfera, permitindo assim uma queda de pressão interna.
Imagem 7 - As câmaras de condensação são tal qual válvulas Tesla instaladas em cima dos compartimentos
Essa liberação de vapores leva a uma redução na capacidade, já que parte do eletrólito é perdido. Além do mais baterias sem manutenção são lacradas (muitas vezes é possível dar um 'jeitinho' de abrir, como ocorreu na Unipower da Imagem 6), impedindo a reposição da água caso a válvula precise ser acionada.
Observe agora um tampão poroso e o orifício de um compartimento da Unipower UP1213:
Imagem 8 - Perceba que além do tampão poroso (em azul) há uma tira de um denso feltro (em branco) aplicado com o objetivo de reter parte do vapor eventualmente expelido
Agora, com um microscópio rudimentar, podemos ver com mais detalhes o tampão azul:
Imagem 9 - A superfície do tampão, tanto interna quanto externamente reteu partículas ao longo dos anos de uso
CURIOSIDADE: Revirando a internet, encontrei um fornecedor de plástico poroso para a confecção de válvulas e respiro anti-chamas aplicados em baterias Pb-Ácido:
Complemento 2 - As válvulas são tampões porosos de Polipropileno, Polietileno ou até mesmo PTFE
Complemento 3 - Os filtros anti-chamas, aplicados no respiro das câmaras de recombinação (válvula Tesla) são confeccionados com os mesmos materiais do tampão poroso
CURIOSIDADE: Uma evolução do sistema de tampão poroso é o uso de um diafragma de borracha EPDM (Etileno-Propileno-Dieno-Metileno) numa tampa rosqueada feita de Polipropileno (com formato semelhante às tampas de baterias inundadas com manutenção). O funcionamento deste tipo de válvula pode ser visualizado no pequeno vídeo abaixo:
Vídeo 2 - Válvulas com diafragma de borracha são mais semelhantes aos sistemas mecânicos de base-mola-diafragma que estamos acostumados a ver
Quanto ao sistema de 'labirinto', posso citar um vídeo do canal Lesics Português para embasar seu funcionamento:
Vídeo 3 - Como funciona a válvula Tesla
Em células tradicionais, os gases escapam antes que o Hidrogênio e o Oxigênio possam se recombinar, então água deve ser adicionada periodicamente. A válvula será muito útil se a bateria for 'recarregada' com uma tensão normalmente superior a 2,40 V por célula, fazendo com que a taxa de produção de Hidrogênio possa ser perigosamente elevada. Isso pode ocorrer durante um mau funcionamento do sistema de alimentação ou um acumulador com defeito.
As baterias CARV estacionárias normalmente exigem equipamentos especiais de alimentação. A maioria dos carregadores de bateria reguladas por válvula possui um circuito interno para monitorar a condição da bateria e o ciclo de 'carga', conforme necessário, para prevenir dano às células e / ou liberação de gás através da válvula de alívio de pressão. A tensão constante de 'carga' é a mais usada, a mais eficiente e o método mais seguro para acumuladores selados, embora outros métodos possam ser utilizados.
As baterias CARV podem estar continuamente sendo alimentadas por uma tensão “flutuando” em torno de 2,30 ~ 2,40 V por célula a 77 °F [5 °C]. Algumas concepções podem ser carregadas rapidamente [1h] a taxas elevadas.
Montando tudo
A caixa prismática compartimentada utilizada neste tipo de acumulador é composta de Polipropileno de Alto Impacto (em alguns casos pode ser Policarbonato). O "PP de Alto Impacto" nada mais é que um nome bonito pra uma mistura da resina plástica com um aditivo mineral tal como o Talco (Silica de Magnésio, abreviada "T" ou "TD"). Em outras palavras, o invólucro de acumuladores Chumbo-Ácido é muito semelhante à composição dos para-choques dos carros...
Imagem 10 - Um para-choque dianteiro feito em PP-TD10 (Polipropileno com 10% de Talco)
Cada pilha de Pb-Ácido possui um conjunto de eletrodos positivos e negativos ligados em paralelo, separados por Lâminas ou mantas de um material isolante, como vemos na Imagem 1. Tudo isso é imerso ou embebido, respectivamente, em uma solução salina condutora de íons.
As pilhas, separadas em compartimentos, são então ligadas em série. Sendo assim, os seis compartimentos de 2 Volts geram uma tensão final de 12 Volts.
Diagrama 2 - Patente da Clarios para uma bateria AGM
A bateria "100" é um sistema Pb-Ácido AGM com eletrodos positivos e negativos (placas "104" e "106") que são separadas por um tapete de vidro absorvente dobrado "108" que retém eletrólito e evita que ele flua livremente. A saturação do eletrólito está em algum valor abaixo de 100% para permitir reações recombinantes de Hidrogênio e Oxigênio.
As massas ativas "104" e "106" incluem coletores de corrente elétrica "124" e "126". Uma “grade” como aqui usada pode incluir qualquer tipo de suporte mecânico para o material ativo. A pasta positiva "128" (para a massa ativa 104) é fornecida em contato com e/ou na grade positiva 124 e a pasta negativa "130" (para a massa ativa 106) é fornecida na grade negativa "126".
As massas ativas, além do composto de Chumbo podem contemplar uma fina camada de partículas de Sulfato de Bário, bem como uma pluralidade de Carbonos condutores (pó de Grafite e ou Negro de Acetileno).
O separador pode ser em forma de "U”, isto é, como fazem ao usar Polietileno microporoso nas baterias inundadas, envelopando o eletrodo. Mas o separador aplicado na tecnologia AGM pode ser uma única folha, ou pode ser uma sanfona de comprimento único com placas separadas por 2 camadas. O elemento também pode ser enrolado em espiral (bobinado), com separador entre os eletrodos enrolados, tal como num capacitor de Óxido de Alumínio.
Tal acumulador inclui vários elementos celulares "110" que são fornecidos em um ou mais compartimentos separados em um recipiente termoplástico "114". A pilha de elementos "110" pode ser comprimida durante a inserção, reduzindo a espessura do separador "108". Uma tampa "116" com terminais "118" é fornecida para o recipiente "114", que geralmente é vedado, isto é, selado, integrando 'labirintos'.
Segundo um relatório de estágio de um estudante de Eng. Elétrica na Moura Acumuladores S/A, baterias comuns, isto é, as Inundadas e Inundadas melhoradas (EFB) fazem uso de um 'papel de empaste', que fica junto da grade coletora de corrente, onde é prensado o material ativo. Na sequência, um fragmento do relatório, citando regiões da fábrica e o passo-a-passo para a produção dos eletrodos:
Complemento 4 - Relatório feito por Rodrigo Costa Calado
Este papel de empaste é outra forma de melhorar a resistência mecânica e acelerar o processo de cura da massa no coletor de corrente (hidrofixação). Apesar de 'ultraprocessados de celulose' não serem condutores, é bastente poroso (gramatura baixa) e não prejudica a condutividade elétrica do eletrodo, até porque outros elementos, como Negro de Fumo (variante Acetileno) e outros pós condutores podem ser misturados no composto de Monóxido de Chumbo (repare que eu não escrevi PbO2 nem Pb metálico, e você verá na sequência).
Neste diagrama da Duracell podemos ver a citação do papel de empaste:
Diagrama 3 - As baterias Pb-Ácido da Duracell são fabricadas pela Tudor
Note que é dado um amplo destaque ao eletrodo negativo:
-> 12: Estes são os tais papéis de empaste que ajudam na ancoragem da massa ativa (11) na grade coletora (1);
-> 2: É este o envelope de Polietileno microporoso que vai envolver todo o eletrodo negativo, o isolando dos eletrodos positivos (10), que por sua vez também possuem grade e massa ativa com papeís de empaste, no entanto, na representação acima não são detalhados;
-> 7: A caixa de Polipropileno conta com seis cubas (compartimentos), e cada uma possui vários pares de eletrodos positivos e negativos, e a ligação elétrica é feita em paralelo através de um barramento (9) composto por condutores feitos também de liga de Chumbo metálica. Formando cada cuba uma pilha, as seis são ligadas em série e conectores do tipo "poste" (8) são usados para a conexão dos bornes no lado de fora do acumulador.
CURIOSIDADE: Muitos Folders destacam uma alta resistência à vibrações, isto pois um dispositivo de compressão atua no travamento do sanduíche de eletrodos e separadores de cada compartimento. Tal dispositivo é uma espécie de mola feita com materiais poliméricos (tal como um TPE de PP-EPDM):
Diagrama 4 - A mola de compressão que trava o sanduíche - que já precisa ser comprimido para ser encaixado - no compartimento
Outro fator interessante é que ambos os eletrodos positivos e negativos são feitos com base em compostos contendo Monóxido de Chumbo, porém, apenas ao terminar a montagem é que é dada a primeira 'carga' na bateria, onde um processo de eletrólise fará do polo positivo Dióxido de Chumbo e do polo negativo Chumbo metálico poroso:
Complemento 5 - É a primeira 'carga' (eletrólise) que forma aquilo que chamamos de "bateria"
A reação química que ocorre em cada célula é:
Ânodo: Pb + HSO4 (1-) + H2O ↔ PbSO4 + H3O (1+) + 2e-
Cátodo: PbO2 + HSO4 (1-) + 3H3O (1+) + 2e- ↔ PbSO4 + 5 H2O
Reação global: Pb + PbO2 + 2 HSO4 (1-) + 2 H3O (1+) ↔ 2 PbSO4 + 4 H2O
Ao 'descarregar', se reduz o cátodo (Dióxido de Chumbo) e se oxida o ânodo (liga de Chumbo), e com isso o acumulador forma Sulfato de Chumbo, que adere aos eletrodos, reduzindo também a densidade do eletrólito. O processo de 'carga' reverte a reação, desfazendo o PbSO4 e aumentando a densidade da solução salina, tornando o ânodo o agente oxidante e o cátodo o agente redutor.
Você verá mais adiante que existem fatores que podem fazer como que cristais de PbSO4 permaneçam aderidos as massas ativas e não consigam mais ser revertidos.
Lembre-se do primeiro Capítulo desta série para compreender que no processo de 'carga' é que se faz a eletrólise da água, gerando gases e, consequentemente, pressão nos compartimentos. Aplicar outros elementos químicos (Cálcio, Antimônio, Estanho, Prata, Bário e etc., bem como compostos de Carbono condutores) nos eletrodos além do Chumbo permite uma 'recarga' com um retardo neste processo de 'desmantelamento' da água sem perder a capacidade.
Algo que achei extremamente complicado foi classificar as baterias Pb-Ácido, já que há muitas nomenclaturas e âmbitos de aplicação, fazendo com que exista uma 'salada de frutas' de termos que muitas vezes não refletem exatamente o tipo de acumulador. De qualquer forma, vou tentar classificar de algumas maneiras...
→ Bateria estacionária: Esta é utilizada em aplicações estáticas, como por exemplo Nobreaks que alimentam servidores e centrais de internet e também armazenamento de energia pra uso posterior em alguns sistemas off-grid de energia solar. Tais baterias possuem:
-> Eletrodos mais espessos e uma melhor distribuição do eletrólito para se conseguir um Ampére/hora maior, o que permite a chamada 'descarga profunda' (ou ciclo profundo), isto é, ficar um longo tempo alimentando um sistema sem precisar ser 'recarregada';
-> Fornecimento de corrente estável, sem capacidade de altas 'descargas' por um curto período de tempo.
→ Bateria tracionária: Sua função é movimentar pequenos veículos, tais quais carrinhos de golfe ou pequenas empilhadeiras. Possuem características intermediárias entre as estacionárias e as automotivas, já que devem fornecer uma boa corrente para o funcionamento contínuo de um motor elétrico bem como ciclo profundo.
→ Bateria automotiva: esta é usada em aplicações dinâmicas, isto é, veículos automotores, cujas principais características são:
-> Fornecimento de um altíssimo valor de corrente no momento em que o motor de combustão interna é ligado;
-> Permanecer conectada à fonte de alimentação (alternador) do veículo enquanto o motor de combustão estiver em funcionamento, podendo ser 'carregada' durante horas à fio sem 'viciar';
-> Não ter capacidade de ciclos profundos, sob pena de instabilidade química e deterioração das pilhas.
OBSERVAÇÃO: Apesar de que atualmente as baterias estacionárias são predominantemente VRLA, nada impede a confecção de um modelo que necessite de manutenção. Já com automóveis, caminhões e tratores ainda é comum o uso de baterias que requerem a adição periódica de água desmineralizada.
As caixas prismáticas possuem três sistemas de fechamento:
→ Tampões com respiro: São baterias sem válvula que dependem da adição periódica de água desmineralizada. Um tampão é encaixado ou rosqueado em cima de cada compartimento (isso pode ser visto na Imagem 4 e Imagem 5). Tais acumuladores podem ser chamados de "ventilados".
OBSERVAÇÃO: Existem alguns poucos acumuladores sem válvula que são vendidos como "sem manutenção" - e eu reparei isso em alguns caminhões. Estes apenas dependem da qualidade dos eletrodos para se reduzir a eletrólise e costumam mesmo não precisar da adição frequente de água.
Imagem 11 - Perceba que se trata de uma caixa sem válvulas, porém, também sem manutenção
→ Válvula Tesla: A maioria das baterias automotivas seladas e muitas das estacionárias contém tampas de compartimentos dotadas de câmaras de recombinação que as próprias fabricantes chamam de 'labirinto'. Tais câmaras conseguem reduzir o fluxo de gases em direção aos respiros e assim provocar a recombinação e condensação de Oxigênio e Hidrogênio, permitindo o retorno da água para as células. Apenas em momentos críticos de sobrecarga é que existe liberação de gases pelos respiros.
OBSERVAÇÃO: Existe uma incongruência de nomeclaturas. Os tipos selados com 'labirintos' na tampa também são definidas por alguns fabricantes de acumuladores estacionários como "baterias ventiladas", no entanto, é visível que o acesso às celulas é dificultado e, em geral há apenas um respiro de cada lado, e ainda por cima ambos dotados de um filtro que impede a entrada de vapores explosivos presentes na atmosfera através da válvula Tesla.
Agora imagine um automóvel moderno, com sua bateria posicionada ao lado do propulsor, montada em uma cesta acima da caixa de marchas, à mercê de uma imensa quantidade de calor e pouco distante de líquidos explosivos (combustíveis e óleos)... Com toda a normatização e legislações de segurança / ambientais atuais, como este acumulador poderia ser ventilado?
Imagem 12 - Perceba que a bateria está dentro de uma bolsa de tecido sintético
Cestas de Polipropileno (PP) reforçado com mineral (PP-MD ou PP-TD), além de uma bolsa de tecido de Poliéster e ou Poliamida são usados na fixação do acumulador, permitindo mante-lo um tanto isolado dos focos de calor no cofre do motor.
Na virada do século, manuais de automóveis já indicavam o uso apenas de baterias seladas:
Imagem 13 - Imagine se fosse utilizada uma bateria ventilada dentro do habitáculo...
Me pergunto como que a mirabolante ideia dos franceses de manter a bateria debaixo do banco do carona não foi pra frente. Se até mesmo o carpete é composto de Polipropileno e a espuma dos bancos possui Flame Retardant, qual o problema de mante-la guardadinha ali?
→ Tampões porosos: As baterias que portam este tipo de fechamento são as que recebem deliberadamente o nome "VRLA". Comumente o termo "regulada por válvula" vem acompanhado da sigla AGM, ou então do simples termo "bateria de gel". Apesar do sistema de tampão poroso ser principalmente aplicado em sistemas AGM ou gel, isso não significa que todos os outros tipos que não o usam são "ventilados" - e isso a gente acabou de discutir.
Pois bem, como foi dito, os poros também servem para alívio de pressão apenas em momentos de sobrecarga, já que tanto os eletrodos geram menos eletrólise quanto o eletrólito é imobilizado pelas mantas de lã de vidro ou aumento da viscosidade proporcionado pela sílica.
OBSERVAÇÃO: No meio automotivo você NUNCA vai ver alguém usar o termo VRLA, apesar de que todas as baterias seladas precisam ter válvulas, e por motivos que já discutimos desde o primeiro capítulo!
Vamos descer mais um degrau nesta bagunça de nomes...
Tanto as baterias estacionárias quanto as automotivas podem fazer uso das três tecnologias abaixo discutidas:
→ Inundada (Flooded Battery): A tecnologia Chumbo-Ácido inundada é o tipo mais simples e comum, onde o eletrólito é livre, os eletrodos e separadores estão imersos na solução. Este tipo pode ou não possuir válvulas, depende do projeto.
Os separadores de eletrodos geralmente são finas chapas de plástico microporoso.
Este tipo é usado em uma ampla variedade de aplicações devido à sua tolerância a ambientes bastante quentes, preço razoável se comparado com outras tecnologias e boa durabilidade.
CURIOSIDADE: São denominadas SLI as baterias automotivas mais comuns capazes de cumprir bem o papel da partida (Start) do motor, iluminação (Light) do veículo e ignição (Ignition) do propulsor, bem como acionamento de sistemas elétricos considerados simples em um automóvel, tal como rádio e ventilação da cabine. Também conhecida como TFS pela nomenclatura da Tudor, este tipo engloba as baterias inundadas com manutenção, bem como muitos modelos VRLA (sem manutenção).
Imagem 14 - Uma bateria inundada SLI VRLA automotiva
Sua aplicação se dá em carrinhos de golfe, alguns tratores (como por exemplo emplilhadeiras), caminhões e carros de passeio com um sistema elétrico não tão complexo, como vemos no seguinte fragmento do manual da GM Tracker 2022:
Tabela 4 - Fragmento de um manual do proprietário
O tipo SLI também é comum em caminhões, como é o caso deste DAF XF com duas baterias do tipo Flooded com manutenção:
Imagem 15 - Bateria inundada SLI de 180 Ah com manutenção
Esta empilhadeira Clark GTS30 faz uso de uma SLI sem manutenção (VRLA):
Imagem 16 - Um pequeno trator com bateria SLI valvulada
Agora veja algumas especificações das baterias estacionárias Freedom:
Folder 4 - Tudo aquilo que já foi descrito usando como base os Folders da Tudor e da Varta está presente neste da Freedom (Heliar)
O termo "eletrólito fluido" significa que se trata de uma bateria Inundada. Perceba que este folder faz uma distinção entre as baterias VRLA, sendo que, por ser um acumulador do tipo inundado e selado também precisa de um sistema de controle de pressão interna, e que neste caso é por 'labirinto' e respiros. Apesar de tudo isso ela pode ser grosseiramente chamada de "bateria ventilada".
→ EFB VRLA: A Enhanced Flooded Battery é uma versão aprimorada das velhas baterias inundadas. Os principais benefícios da tecnologia EFB são:
-> Melhor aceitação de carga e maior durabilidade cíclica ao operar parcialmente carregada (típico de aplicações Stop-Start).
Folder 5 - Fragmento de uma propaganda da Varta sobre suas baterias EFB
CURIOSIDADE: No Brasil pouco conhecemos a marca Varta, no entanto, ela pertenca à Clarios, também detentora da 'grife' Heliar, que por sua vez detém a marca Freedom de baterias estacionárias, super comuns por aqui. Por este motivo as tecnologias "PowerFrame" e "Polifleece" podem ser destacadas em folders das três marcas!
Como aproximação, os acumuladores EFB fornecerão 85.000 partidas de motor, em comparação com 30.000 partidas das inundadas.
O detalhe está na composição dos eletrodos, que podem receber até uma película de Sulfeto de Bário na superfície, permitindo uma redução na erosão das massas ativas dos eletrodos causadas por ciclos profundos.
A questão dos ciclos profundos (ou descarga profunda) nas baterias automotivas faz referência aos modernos sistemas start-stop, que exigem muito da bateria no 'anda e para' dos centros urbanos. Os acumuladores precisam estar preparados para sucessivas partidas durante o funcionamento do veículo, coisa que uma bateria inundada SLI não daria conta.
→ AGM VRLA: Baterias com manta de vidro absorvente são todas valvuladas (seja com tampões porosos ou válvula Tesla), e englobam os tipos estacionários (estático) e dinâmicos. Para este tipo de bateria, a tensão de absorção típica varia de 14 a 15 Volts, já a faixa de tensão de flutuação típica vai de 13,2 a 13,8 volts.
Este tipo usa mantas de lã de vidro super densas entre os eletrodos positivos e negativos de cada pilha, cuja finalidade é manter toda a solução salina absorvida e perfeitamente distribuida entre as massas ativas, permitindo uma melhor condutividade de íons, que somada com a composição química dos eletrodos, consegue ciclos mais profundos e 'recargas' mais rápidas que as EFB, se tornando ideal para aplicações Start-Stop, porém, com um custo muito mais elevado.
Observe esta AGM VRLA 12 Volts de um opacimetro de inspeção veicular:
Imagem 17 - Este aparelho usa a Unipower UP1213 da Imagem 6
Se nesta da imagem acima há tampões porosos, nas baterias automotivas AGM continuam fazendo uso de válvulas Tesla:
Imagem 18 - Perceba que esta AGM automotiva possui um respiro de cada lado
Baterias AGM, sejam elas automotivas ou estacionárias tendem a ser bastante duráveis, todavia, como tudo na vida, um dia precisam ser descartadas, substituidas por uma nova.
É comum que depois de alguns anos de uso, após falha, "youtubers reparadores" retirem os tampões porosos das baterias AGM VRLA e vejam que os compartimentos estão secos. Ao se deparar com este fato, resolvem completar com uma "solução aquosa para baterias", que já contempla alguma porcentagem de Ácido Sulfúrico. Pois bem, se você pegar uma bateria AGM nova verá que ela também parece estar seca por dentro, isto pois as mantas de lã de vidro absorvem o eletrólito e acabam com aquela velha aparência de "bateria inundada". Adicionar mais Ácido Sulfúrico e água é redundante, portanto, não há método definido para se recuperar uma bateria, e tudo o que se encontra no nosso querido You Tube pode ser que funcione (mas não se sabe por quantos dias ou meses :v), pode ser que não - e é mais provável que não.
O "reparo" de acumuladores Chumbo-Ácido também é feito em baterias inundadas (em que o contato com produtos químicos tóxicos tende a ser até maior). De qualquer forma, não vale o risco entrar em contato com fragmentos de Chumbo e "água de bateria" (falando assim parece algo tão inofensivo) só pra postergar alguns dias ou meses a troca do componente...
O risco só vale se você for abrir uma bateria por pura curiosidade. Hehe...
Complemento 6 - É melhor cumprir a lei... e essa resolução também vale para as estacionárias e tracionárias!
→ GEL VRLA: A bateria de célula gel possui um eletrólito tipo “geleia”, onde o ácido sulfúrico é misturado com sílica porogênica, um agente espessante. Devido ao eletrólito imóvel em forma de gel, o acumulador pode ser montado em qualquer posição, possui maior resistência a temperaturas extremas, bem como a choques e vibrações.
As tensões de recarga neste tipo de célula são mais baixas que os outros estilos de bateria Pb-ácido. Está é provavelmente a célula mais sensível em termos de reações adversas por sobretensão. As baterias de gel são mais usadas em aplicações de ciclo muito profundo (baixas taxas de 'descarga') e podem durar um pouco mais em aplicações com clima quente.
Para este tipo de tecnologia, a tensão de absorção típica varia de 14,0 a 14,2 volts. faixa de tensão de flutuação típica de 13,1 a 13,3 volts. Enfim, neste ponto não difere muito das outras!
OBSERVAÇÃO: É muito comum que as pessoas usem o termo genérico ‘bateria de gel’ quando se referem à baterias estacionárias seladas e livres de manutenção, assim como alguém usaria o termo “máquina Xerox” ao se referir a uma copiadora qualquer.
Este artigo é algo que eu vinha escrevendo há muito tempo. Nunca compactuei com tamanha distinção entre baterias com tecnologias tão semelhantes, e isso que não me aprofundei nas baterias 12 V de aviões nem nas 12 V tracionárias, que também podem ser Pb-Ácido seladas, livres de manutenção. Preferi usar como ferramenta de estudo o que eu tinha em mãos neste momento.
Alguns dos documentos utilizados para a confecção deste texto podem ser acessados abaixo:
Mesmo existindo um tipo de válvula com diafragma de borracha, descobrir que as tais baterias seladas válvuladas usam predominantemente um sistema completamente 'estático' / 'passivo' para controle de pressão foi o mais legal. Uma válvula 'dinâmica', isto é, 'ativa', com base-mola-diafragma ia ser um problema.
Vai que a proximidade com o Ácido Sulfúrico oxida a mola metálica, fazendo-a perder carga e travar o diafragma aberto?
Ou vai que por falta de acionamento o mecânismo 'engripa' com o passar do tempo e o diafragma trava fechado?
Um sistema com poros ou labirinto parece a solução perfeita!
Este texto ficou muito extenso e foi dividido em dois Capítulos!
Para acessar a continuação, isto é, o Capítulo 3.1, CLIQUE AQUI!
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FONTES e CRÉDITOS
Texto: Leonardo Ritter.
Imagens, Vídeos, Gráficos e Diagramas: Leonardo Ritter; Google Patents; You Tube; Google Imagens.
Referências: Mundo Educação; Brasil Escola; Battery University; Heliar; Freedom; Tudor; Duracell; Rótulos de embalagens de baterias; STA Eletrônica; Unipower; Google Patents (Patentes da Clarios); Manuais de veículos (GM Tracker, FIAT Palio, Ford Focus e Renault Scénic); SciELO; Embarcados; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!); Desmonte de baterias e pilhas feito pelo autor deste texto.
Ultima atualização: 13 de Fevereiro de 2024.